Особенности реакции представителей рода Monarda на физическое и химико-биологическое воздействие

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ: «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ МАКСИМА ТАНКА»

ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Кафедра общей биологии и ботаники

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Особенности реакции представителей рода Monarda на физическое и химико-биологическое воздействие

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ БИОЛОГИЯ ХИМИЯ

СТУДЕНТА 51 группы

Бобровича Максима Викторовича

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

кандидат биологических наук,

доцент МАЗЕЦ Жанна Эмануиловна

РЕЦЕНЗЕНТ: ЧИЖИК Ольга Владимировна

МИНСК - 2014



Содержание

Обозначения и сокращения

Введение

Глава 1. Состояние вопроса

1.1 Рост растений

1.2 Развитие растений

1.3 Системы регуляции у растений

1.3.1 Внутриклеточная регуляция растений

1.3.2 Межклеточная регуляция растений

1.4 Семя

1.4.1 Биология формирования семян, их основные темпы и морфоструктура

1.4.2 Прорастание семян и развитие проростков

1.5 Предпосевная обработка семян

1.5.1 Регуляторы роста

1.5.2 Физические методы обработки семян

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1 Объекты и условия проведения исследований

2.1.1 Монарда лимонная

2.1.2 Монарда двойчатая

2.2 Физические методы предпосевной обработки

2.3 Химический метод предпосевной обработки

2.4 Биологический метод предпосевной обработки

2.5 Условия проведения исследований

Глава 3. Результаты и их обсуждение

3.1 Влияния различных способов предпосевной обработки на агрономические качества семян монарды дудучатой

3.2 Влияния различных способов обработки семян растений рода Monarda на содержание основных фотосинтетических пигментов

3.3 Содержание вторичных метаболитов в надземной массе растений рода Monarda

Глава 4. Применение в школе

Заключение

Список использованных источников



Обозначения и сокращения

АБК - абсцизовая кислота

БАС - биологически активные соединения

БР - брассинолиды

БЭП - биоэлектрический потенциал

ВЧЕР - высокочастотный емкостный разряд

ГА - гибберелловая кислота

ЖК - жасмоновая кислота

ИУК - индолил-3-уксусная кислота

МП - мембранный потенциал

ПД - потенциал действия

Р1, Р2, Р2', Р3 - режимы электромагнитного воздействия

СВЧ - сверхвысокие частоты

СК - салициловая кислота

УЗ -ультразвук

ФАВ - физиологически активные вещества

ЭМИ - электромагнитное излучение



Введение

Во всем мире известно, что физиолого-биохимические процессы роста и развития растений осуществляются вследствие реализации ряда программ, контролирующих дифференциацию, развитие клеток, тканей, органов и целого организма. Наличие в растительной клетке эндогенных систем координации и саморегуляции является основой для управления ими с помощью различных эндогенных регуляторов роста. Однако в настоящее время существует большое количество экзогенных регуляторных комплексов, которые влияют на рост, развитие, устойчивость растений к неблагоприятным факторам внешней среды, урожайность и улучшение качества продукции.

Регуляция роста и развития растений связана с углубленным изучением возможности управления жизненными процессами и направлена на более полную реализацию потенциальных возможностей, заложенных в генотипе, что является важным резервом повышения эффективности растениеводства. В этом отношении особый интерес представляет поиск таких способов регуляции роста и развития растений, которые бы оказывали наибольший эффект при наименьших экономических затратах[1].

К настоящему времени синтезированы сотни физиологически активных веществ, хотя из них практически используются лишь немногие. Тормозит применение регуляторов роста недостаточная изученность механизмов их регуляторного влияния с учетом биологических особенностей растений и высокой избирательности действия разных по структуре физиологически активных веществ (ФАВ). Анализ публикаций за последние несколько лет свидетельствует о все еще эмпирическом подходе к подбору и использованию регуляторов роста на различных видах растений, зачастую без учета биологических особенностей каждого из них и тех глубоких изменений метаболических процессов, которые происходят при обработке растений ФАВ, а также зависимости их действия от факторов внешней среды[1]. Однако широкое использование регуляторов роста в сельском хозяйстве сдерживается: слабой изученностью данного вещества, ценой препарата, возможностями безопасного метаболизма его и отсутствием экологических последствий.

В сельскохозяйственной практике используют разнообразные приемы предпосевной обработки семян - воздействие электрических, электростатических, магнитных полей; пониженных и переменных температур; квантового генератора на таких культурах, как ячмень[2], яровая пшеница[3], фасоль[4], люцерна[5], сахарная свекла[6]. Результаты приведенных исследований дали впоследствии значительный положительный результат. Однако, на лекарственных культурах подобные физические методы предпосевной обработки, как электромагнитное излучение, до сих пор плохо изучено. Многие из лекарственных препаратов растительного происхождения являются исключительно ценными лечебными средствами, без которых невозможно было бы лечение ряда заболеваний. Кроме того, фитопрепараты имеют ряд преимуществ по сравнению с их синтетическими аналогами, так как они практически не оказывают побочных действий на организм человека. Однако эффективное производство лекарственного сырья требует использования современных технологий подготовки и хранения семенного фонда. Получение полноценного урожая во многом зависит от качества посевного материала, поэтому обработка семян перед посевом является одной из важных предпосылок рентабельного производства лекарственных культур[7].

Одной из важнейших проблем, которая стоит перед исследователями и практиками сельского хозяйства на современном этапе, является повышение урожайности лекарственных растений, устойчивости их к неблагоприятным факторам, в том числе резистентности растений к вирусным, бактериальным и грибковым заболеваниям. Повысить урожайность и его качество возможно с помощью различных способов воздействия на семена. При этом одним из многообещающих результатов из проведённых в последние годы работ стало то, что положительное влияние на всхожесть, рост, развитие растений, а соответственно и на получаемый урожай и его качество оказывает обработка посевного материала различных лекарственных культур электромагнитными методами и регуляторами роста нового поколения. В связи с этим данная тема представляет большой научный и практический интерес и при ее широком внедрении в практику выращивания лекарственных растений может дать значительный экономический эффект.

Целью данной работы является изучение влияния предпосевной физической и химико-биологической обработки на рост и развитие, а также физиолого-биохимические процессы растений рода монарда (Monarda ).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

оценить энергию прорастания и всхожесть обработанных семян по сравнению с контролем;

выявить влияние предпосевной обработки семян на морфометрические показатели изучаемого растения;

определить содержание пигментов в листьях контрольных и опытных растений;

определить содержание флавоноидов и фенольных соединений в листьях контрольных и опытных растений;

оценить возможность использования результатов работы в школьном курсе.

всхожесть листья растение морфометрический

Глава 1. Состояние вопроса

Рост и развитие -- неотъемлемые свойства всякого живого организма. Это интегральные процессы. Растительный организм поглощает воду и питательные вещества, аккумулирует энергию, в нем происходят бесчисленные реакции обмена веществ, в результате чего он растет и развивается. Процессы роста и развития тесно взаимосвязаны. Темпы роста и развития могут быть разными, быстрый рост может сопровождаться медленным развитием или быстрое развитие медленным ростом. Так, например, растение хризантемы весной (длинный день) быстро растет, но не зацветает, следовательно, развивается медленно. Подобное происходит с высеянными озимыми растениями, весной они быстро растут, но не переходят к репродукции. При осеннем высеве под воздействием пониженных температур озимые растения медленно растут, но в них проходят процессы развития. Из этих примеров видно, что критерии, определяющие темпы роста и развития, различны. Критерием темпов развития служит переход растений к воспроизведению, к репродукции. Для цветковых растений -- это закладка цветочных почек, цветение. Критерии темпов роста обычно определяют скоростью нарастания массы, объема, размеров растения. Сказанное подчеркивает не тождественность этих понятий и позволяет рассмотреть процессы роста и развития последовательно[8].

1.1 Рост растений

Рост -- одно из основных свойств живой материи. Нам, привыкшим с детства к этому слову, кажется, что это очень простое понятие. Даже само название организма «растение» происходит в русском языке от глагола «расти». Что же такое рост? Ответим, ни этот вопрос далеко не просто. Стремление дать определение этого понятия вызывало многочисленные дискуссии, поэтому в учебных пособиях встречаются самые различные определения.

Говоря о росте, прежде всего подразумевают увеличение высоты стебля или растения, диаметра или объема органа, его сухой или сырой массы, числа клеток. Однако рост не всегда сопровождается увеличением размеров и массы растения. Например, и процессе прорастания семена теряют до 50 % сухого вещества, и сухая масса почек за этот же период уменьшается на 5--21 %. У злаков в период формирования генеративных органов масса сухого вещества не только не увеличивается, но иногда даже уменьшается[9].

С другой стороны, не всякое увеличение размеров свидетельствует о росте. Так, объем кусочков клубня картофеля, корня моркови или свеклы после погружения их в воду быстро увеличивается, но это не рост, а набухание.

Существуют два понятия: истинный рост и видимый рост. Истинный рост -- это новообразование структур. Видимый рост -- это баланс новообразования и деструкции. Скорость роста различна у разных органов, зависит от вида растения и как другие физиологические функции регулируется внешними и внутренними факторами[9].

Дни осуществления роста нужны строительные материалы и вещества, регулирующие этот процесс. В качестве строительных материалов используются питательные вещества, поступающие в клетку извне, а также находящиеся в ней запасные вещества.

Второе условие роста растений -- наличие специальных веществ-регуляторов. Ими являются гормоны, витамины и другие вещества[9].

Внутренние физиолого-биохимические реакции, обеспечивают координированный ход ростового процесса на всех этапах жизни, определяют механизмы роста. Различают первичные и вторичные механизмы роста. К первичным механизмам роста относят физиолого-биохимические реакции, которые лежат в основе начальных этапов ростового процесса (лаг-фаза) и фазы ускоренного роста (логарифмическая фаза). К этим же механизмам относят электрофизиологические, гормональные и генетические реакции, которые запускают и поддерживают нормальный ход роста клеток, тканей и органов. Вторичные механизмы роста - это физиолого-биохимические реакции, которые участвуют в нормальном ходе роста (лаг-фаза и фаза замедления роста) и происходят в процессе жизнедеятельности растений. К ним относят корреляции между органами, донорно-акцепторные связи, метаболическая координация между ростом и другими физиологическими процессами (фотосинтез, транспорт, запасание веществ, стресс)[9].

Таким образом, чаще всего существуют два типа роста: первичный и вторичный. В результате первичного роста может образоваться целое растение (для большинства однолетних и травянистых двудольных это единственный тип роста). В нем участвует апикальная, а иногда и интеркалярная меристемы. В некоторых растениях за первичным ростом идет вторичный рост, в котором участвуют латеральные меристемы. Он в большей мере характерен для кустарников и деревьев. У ряда травянистых растений наблюдается некоторое вторичное утолщение стебля, например, развитие дополнительных проводящих пучков у подсолнечника. Кроме этого, различают еще диффузионный рост. Это рост во время деления всех клеток[8]. Для роста растений на любых этапах онтогенеза возможен период покоя. В это время метаболические процессы хотя и продолжаются, но идут с очень низкой скоростью[10]. Покой бывает двух типов: вынужденный покой, причинами которого является неблагоприятные факторы внешней среды, и физиологический (глубокий); в обоих случаях происходит задержка процессов роста и развития. Только у некоторых растений семена после выхода из плода способны сразу прорастать; большинство семян проходят через период покоя, который характеризуется небольшим содержанием воды, и пониженным обменом веществ, высокой устойчивостью к холоду, жаре и т. д.[8]. 

1.2 Развитие растений

Развитие -- это изменения в новообразовании элементов структуры организма, обусловленные прохождением растением онтогенеза, или жизненного цикла. Например, когда верхушечная меристема побега формирует все новые зачатки листьев и междоузлий, -- это рост. Однако с некоторого времени в ее деятельности происходят изменения и начинают образовываться зачатки цветков или соцветий. Это и есть изменения в новообразовании элементов структуры организма. Внешним критерием развития растений служит их переход к размножению; для цветковых растений -- это заложение цветков, а затем -- образование плодов.

Развитие организма зависит от генетической программы развития и повторяется из поколения в поколение. Закодированы не только морфологические признаки, например форма листьев, но и время их появления. Общее направление онтогенеза является необратимым, так как в течение жизненного цикла происходят необратимые структурные и возрастные изменения всего организма, клеток, тканей, органов, усложняются взаимоотношения между частями растения. Однако в различных внешних условиях генетическая программа может реализоваться разными путями, давая разные модификации развития[9].

В ходе онтогенеза рост и развитие взаимосвязаны, их нельзя противопоставлять. Они локализованы в одних и тех же тканях -- меристемах. Развитие организма может изменяться под влиянием соответствующих воздействий.

Регуляция развития -- это направленное изменение скорости или характера развития, обусловленное внешними или внутренними факторами. Различают автономное (греч. autonomia -- самоуправлениие) и индуцированное (лат. inductio -- возбуждение) развитие.

Автономное развитие осуществляется под влиянием только внутренних возрастных и других изменений, возникающих в самом организме.

Индуцированное развитие требует, кроме внутренних изменений, еще и индукции со стороны внешних факторов.

Индукция развития -- это влияние внешних факторов или одной части растения на другую, приводящее к детерминации (лат. determinare -- определять) развития организма, органа или ткани. Индукторами (лат. inductor -- возбудитель, побудитель) могут служить факторы внешней среды (длина дня, качество света, температура и др.), гормоны и метаболиты. Развитие лишь временно зависит от вызвавшего его фактора [9].

Онтогенез связан с филогенезом. Филогенезом (греч. phyle -- племя, род, вид; genesis -- происхождение, возникновение) называют историческое развитие вида от его возникновения до умирания (до исчезновения). Онтогенез можно рассматривать как процесс реализации наследственной информации, сложившейся в ходе исторического развития данного вида, а филогенез происходит на основе тех изменений генотипа, которые возникают в течение индивидуальной жизни организма в виде мутаций или в результате рекомбинаций генов при размножении и закрепляются в потомстве в результате естественного или искусственного отбора[9].

Этапы развития растений

Развитие каждого растительного организма, так же как и животного, расчленено, т. е. оно проходит ряд этапов. Эти этапы характеризуются морфологическими и физиологическими признаками. Физиологические критерии этапов развития изучены слабо. При выделении этапов используют главным образом морфологические признаки.

Для семенных растений можно выделить следующие этапы развития[9]:

1) эмбриональный -- от оплодотворения яйцеклетки до прорастания зародыша. Этот этап можно разделить на два периода: а) эмбриогенез -- периоду в котором эмбрионы находятся на материнском растении; б) покой -- период от конца формирования семени до его прорастания; 2) молодости (ювенильный) -- от прорастания зародыша до закладки цветочных зачатков, характеризующийся усиленным ростом; 3) зрелости -- от момента закладки цветочных зачатков до оплодотворения (появления новых зародышей); 4) размножения -- от оплодотворения до полного созревания семян; 5) старости -- от периода созревания семян до отмирания.

Поликарпические растения этапы эмбриональный и молодости проходят один раз, однако часто эти этапы характеризуются большой продолжительностью (несколько лет), этапы зрелости и размножения наступают один раз но осуществляются многократно. Этап старости у поликарпических растений также может продолжаться несколько лет. И. В. Мичурин для многолетних поликарпических растений выделил следующие этапы: 1) семенной - от оплодотворения яйцеклетки до прорастания семян; 2) молодости (ювенильный) -- от прорастания до первого цветения (длительность этого этапа колеблется и может продолжаться до 10 лет); 3) возмужания -- первые 3--5 лет цветения; 4) взрослого состояния -- последующие годы плодоношения; 5) старения[11].

На протяжении каждого из перечисленных этапов развития в растении возникают новые органы. Процесс формирования этих органов называют органогенезом. Этот процесс можно изучить путем микроскопических наблюдений за дифференциацией верхушечных меристем и изменениями в формирующихся органах.

На протяжении каждого из этапов развития растения проходят физиолого-биохимические и морфологические изменения (появление новых структур). Основой морфологических, структурных изменений является изменение физиолого-биохимических процессов. Именно поэтому, как правило, внутренние физиолого-биохимические изменения предшествуют морфологическим. Однако проявляется и обратная зависимость. Вновь появившиеся структуры, органы оказывают влияние на уровень и направленность процессов метаболизма.

Таким образом, можно считать, что есть единый процесс физиолого-биохимических и морфологических изменений. При этом физиолого-биохимические изменения, определяющие наступление последующего этапа, происходят в структурах, образовавшихся на предыдущем этапе развития организма[8].

Регуляция процесса развития

Процесс развития -- переход от одного этапа в другой -- обусловливается внутренними причинами, заложенными в генетической основе организма. В геноме каждого организма зашифрована общая программа развития, которая делится на ряд подпрограмм. Однако должны существовать особые переключатели, которые переводят развитие организма с одной подпрограммы на другую. Иначе говоря, должны быть какие-то индукторы, вызывающие репрессию одних генов, вырабатывающих белки-ферменты, необходимые для осуществления предыдущего этапа и одновременно вызывающие дерепрессию других генов, ответственных за развертывание процессов метаболизма, необходимых для прохождения последующего этапа. Такими индукторами, по-видимому, являются гормоны.

Таким образом, последовательность развертывания программы и сами подпрограммы строго детерминированы в наследственной основе. Однако продолжительность отдельных этапов и время наступления следующего этапа могут заметно варьироваться в зависимости от условий среды. Именно под влиянием определенного комплекса внешних условий возникает такое соотношение гормонов, которое вызывает дерепрессию определенных участков генома, как следствие, образуются белки-ферменты, изменяется течение обмена веществ, происходят морфогенетические изменения, характерные для следующего этапа. Иначе говоря, развертывается следующая подпрограмма. Для развертывания программы и перехода к следующему этапу развития недостаточно наличия гормонов. Клетка должна быть восприимчива, компетентна к гормональному воздействию[8].



1.3 Системы регуляции у растений

Сложное строение растительного организма, дифференцированного на большое количество специализированных органоидов, клеток, тканей и органов, требует и совершенных систем управления.

Целостность всякого, в том числе и растительного, организма обеспечивается системами регуляции, управления и интеграции. В технике под регуляцией обычно понимают поддержание значений параметров системы в заданных границах. Управление -- это процесс перевода системы из одного состояния в другое путем воздействия на ее переменные. Однако в более широком смысле термин «регуляция» включает в себя и процессы управления. В таком более широком смысле этот термин употребляется и в биологии. Регуляция обеспечивает гомеостаз организма, т. е. сохранение постоянства параметров внутренней среды, а также создает условия для его развития (эпигенеза). На всех уровнях организации гомеостаз обеспечивается отрицательными обратными связями, эпигенез -- преимущественно положительными обратными связями[10].

1.3.1 Внутриклеточная регуляция растений

В ходе эволюции сначала возникли внутриклеточные системы регуляции. К ним относятся регуляция на уровне ферментов, генетическая, и мембранная регуляции. Все эти системы регуляции тесно связаны между собой. Например, свойства мембран зависят от генной активности, а дифференциальная активность самих генов находится под контролем мембран. Больше того, в основе всех форм внутриклеточной регуляции лежит единый первичный принцип, который можно назвать рецепторно-конформационным. Во всех случаях белковая молекула -- будь то фермент, рецептор или регуляторный белок -- «узнает» специфический для нее фактор и, взаимодействуя с ним, изменяет свою конфигурацию. В мультикомпонентных комплексах ферментов, генов и мембран конформационные изменения молекул-рецепторов кооперативно передаются на весь комплекс, влияя на его функциональную активность[10].

Метаболическая система

Регуляции основана на изменении функциональной активности ферментов. В живых клетках существуют несколько способов влиять на ферментативную активность[12]. Из них наиболее общий - регуляция путем воздействия на ферменты таких факторов внутриклеточной среды, как ионная сила, рН, температура, давление и др. В этой неспецифической регуляции особую роль играют ионы Н+. Большинство ферментов имеют четко выраженный максимум активности в том или другом диапазоне рН. Изостерическая регуляция активности ферментов осуществляется на уровне их каталитических центров. Реакционная способность и направленность работы каталитического центра фермента зависят в том числе и от количества субстрата (закон действия масс). Интенсивность работы фермента определяется также наличием кофакторов: коэнзимов для двухкомпонентных ферментов (например, никотинамидаденинди-нуклеотида для алкогольдегидрогеназы), специфически действующих ионов двухвалентных металлов (Mg2 +, Mn2 +, Zn2 +), а также ингибиторов. Активность тех или других ферментов может быть связана с конкуренцией за общие субстраты и коферменты, что является одним из способов взаимодействия различных метаболических циклов. Некоторые ферменты, кроме каталитических (изостерических) центров, имеют также аллостерические, то есть расположенные в других местах рецепторные участки, которые служат для связывания аллостерических эффекторов (регуляторов). Как правило, аллостерические ферменты включают в себя каталитическую и регуляторную субъединицы. В качестве эффекторов могут выступать определенные метаболиты, гормоны или даже молекулы субстрата. В результате присоединения положительно или отрицательно действующего эффектора к аллостерическому центру происходит изменение всей структуры фермента (конформация), что приводит соответственно к активации или торможению функциональной активности каталитического центра. Примером аллостерической регуляции может служить регуляция активности фосфофруктокиназы - ключевого фермента гликолиза (анаэробной фазы биологического окисления глюкозы). Этот фермент осуществляет перенос фосфатной группы от АТФ на фруктозо-6-фосфат. Он аллостерически ингибируется фосфоенолпируватом, АТФ, лимонной кислотой. Когда концентрация этих соединений достигает высокого уровня (клетка богата энергией), окисление глюкозы через гликолиз тормозится. Наоборот, при недостатке энергии в клетке накапливается ортофосфат, который является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы. В результате скорость гликолиза и синтеза АТФ возрастает.

Важным способом регуляции ферментативной активности является трансформация латентной формы фермента (зимогена) в активную форму. Это достигается разрушением определенных ковалентных связей в молекуле полипептида с помощью протеаз. В ходе ограниченного протеолиза от зимогена отделяется определенный участок полипептида, что превращает фермент в активную форму. Модификация структуры ферментов - еще один эффективный способ регуляции их активности. У многих ферментов активация или инактивация зависит от их фосфорилирования с участием протеинкиназ или дефосфорилирования под действием протеинфосфатаз. Существуют и другие способы модификации структуры ферментов. Потенциально активные ферменты могут не функционировать из-за их компартментации (то есть расположения в специальных "отсеках" клетки), например в лизосомах, причем освобождению лизосомных гидролаз способствуют кислые значения рН, свободнорадикальное окисление мембранных липидов и некоторые жирорастворимые витамины и стероиды. Инактивация ферментов может происходить благодаря их связыванию со специфическими ингибиторами белковой природы, а также путем их тотального разрушения протеиназами[10].

Генетическая регуляция

Генетическая регуляция включает в себя регуляцию на уровне репликации, транскрипции, процессинга и трансляции. Молекулярные механизмы регуляции здесь те же (рН, ионы, модификация молекул, белки-регуляторы), однако сложность регуляторных сетей возрастает. Роль генов состоит в хранении и передаче генетической информации. Информация записывается в структуре хромосомной ДНК в виде триплетного нуклеотидного кода. Информация в клетках передается благодаря синтезу РНК на матрице ДНК (транскрипция) и синтезу специализированных белков на матрице мРНК с участием рРНК и тРНК (трансляция). В ходе и после транскрипции или трансляции происходит модификация биополимеров (процессинг), транспортирующихся в места назначения. Специализированные белковые молекулы в соответствии со своей «структурной» информацией путем самосборки образуют специфические комплексы, выполняющие различные функции: каталитические (ферменты), двигательные (сократительные белки), транспортные (насосы и переносчики), рецепторные (хемо-, фото- и механорецепторы), регуляторные (белковые активаторы, репрессоры, ингибиторы), защитные (лектины) и др.

Дифференциальная активность генов зависит от действия различных факторов. Например, синтез в клетках ферментативного комплекса нитратредуктазы, восстанавливающего до уровня NH3 , индуцируется как самим субстратом (нитратом), так и одним из фитогормонов - цитокинином. Известно, что ауксин и цитокинины необходимы для индукции деления растительных клеток. Избыток ауксина в этой паре фитогормонов включает генетическую программу корнеобразования, а избыток цитокинина - программу развития побега. Для реализации генетической информации, хранящейся в ДНК хромосом, в клетке существует сложная система регуляции, не все стороны которой в настоящее время известны[10].

Мембранная регуляция

Мембранная регуляция осуществляется благодаря сдвигам в мембранном транспорте, связыванию или освобождению ферментов и регуляторных белков и путем изменения активности мембранных ферментов[13]. Все функции мембран -- транспортная, осмотическая, энергетическая -- одновременно являются и различными сторонами, механизма регуляции внутриклеточного обмена веществ. Причем особое значение во всех этих механизмах имеет система мембранных хемо-, фото- и механорецепторов, позволяющих клетке оценивать качественные и количественные изменения во внешней и внутренней среде и в соответствии с этим изменять свойства мембран[10].

Контактная регуляция активности ферментов имеет место, в частности, в цистернах ЭР и в АГ, где идет достройка и модификация секретируемых белков. Дистанционная мембранная регуляция активности внутриклеточных ферментов осуществляется путем доставки субстратов и коферментов, удаления, продуктов реакции, ионных и кислотно-щелочных сдвигов в компартментах, фосфорилированием ферментов и другими способами. Для животных объектов существенную роль в регуляции активности некоторых ферментов играет аденилатциклазная система, локализованная в мембранах, и циклическая AMP. Однако присутствие этой системы в растительных клетках до настоящего времени остается дискуссионным. В то же время сдвиги в концентрации кальция выполняют в растительных клетках такую же регуляторную роль, как и в животных. Ионы Са2+, взаимодействуя с регуляторным белком кальмодулином, активируют протеинкиназы, фосфорилирующие различные белки, что приводит к изменению их функциональной активности. Са2+ специфически необходим для регуляции таких процессов, как движение цитоплазмы, митоз, секреция[10].

Мембранная регуляция генной активности на уровне репликации, транскрипции, процессинга и трансляции также осуществляется - контактным и дистанционным способами. Причем с появлением у эукариот ядерной оболочки значение мембранной регуляции возросло. На возможность контактной регуляции указывают многочисленные связи хромосом эукариот с внутренней мембраной ядер, которые, по- видимому, принимают участие в пространственной организации хромосомного аппарата в нуклеоплазме. Примером контактной регуляции в цитоплазме может служить шероховатый ретикулум, на поверхности мембран которого расположены рибосомы. Дистанционная мембранная регуляция включает в себя транспорт предшественников синтеза ДНК, РНК и белков, освобождение регуляторных белков. Мембранное управление хромосомным и рибосомальным аппаратами осуществляется также с помощью ионных и кислотно-щелочных сдвигов[10].

1.3.2 Межклеточная регуляция растений

С появлением многоклеточных организмов развиваются и совершенствуются межклеточные системы регуляции. Они включают в себя по крайней мере трофическую, гормональную и электрофизиологическую системы. Такие взаимодействия сразу обнаруживаются при попытках культивировать те или иные части и органы растений в изолированном виде. Во всех случаях для поддержания жизни изолированных частей в инкубационную среду необходимо добавлять трофические и гормональные факторы, в норме поступающие из других органов целого растения[10].

Трофическая система

Взаимодействие с помощью питательных веществ -- наиболее простой способ связи между клетками, тканями и органами. У растений корни и другие гетеротрофные органы зависят от поступления ассимилятов, образующихся в листьях в процессе фотосинтеза. В свою очередь надземные части нуждаются в минеральных веществах и воде, поглощаемых корнями из почвы. Корни используют ассимиляты, поступающие из побега, на собственные нужды, а часть трансформированных органических веществ движется в обратном направлении. Изолированные корни в стерильных условиях для нормального развития помимо минеральных веществ и сахара нуждаются еще и в некоторых витаминах, таких, как В1, В6 и никотиновая кислота. Очевидно, витамины поступают в корни из побегов.

Сдвиги в содержании различных элементов, питания оказывают влияние на обмен веществ, физиологические и морфогенетическй процессы у растений. Хорошо известны характерные изменения в растительном организме, обусловленные недостатком или избытком тех или иных минеральных веществ. При голодании усиливается конкуренция различных участков за продукты питания, что сказывается на процессах морфогенеза. При неблагоприятных условиях питания низшие организмы переходят к генеративным процессам. Цветение длиннодневных растений на длинном дне ускоряется при увеличении содержания углеводов и относительно низком содержании азотистых соединений, а зацветанию короткодневных видов на коротком дне, наоборот, благоприятствует понижение содержания углеводов и увеличение азотистых соединений[10].

Однако нужно отметить, что трофическая регуляция носит скорее количественный, чем качественный, характер. При ограниченном питании у растений, как правило, развитие продолжается в соответствии с внутренними закономерностями, но у них формируются органы уменьшенного размера и сокращается количество листьев, плодов и семян. Интересно, что при этом конечная величина сформировавшихся семян, даже если это одно семя, мало отличается от нормы. Все это указывает, что наряду с трофическими взаимодействиями в растительном мире функционируют более совершенные системы регуляции, обеспечивающие взаимодействие всех его частей[7].

Гормональная система

Гормональная система - важнейший фактор регуляции и управления у растений[14]. Фитогормоны -- соединения, с помощью которых осуществляется взаимодействие клеток, тканей и органов и которые в малых количествах необходимы для запуска и регуляции физиологических и морфогенетических программ. Гормоны растений -- сравнительно низкомолекулярные органические вещества (Мr 32 -- 376). Они образуются в различных тканях и органах и действуют в очень низких концентрациях порядка 10-13-10-5 моль/л.

Г. Фиттинг, в 1909 -- 1910 гг. изучавший особенности опыления и оплодотворения у орхидей, обнаружил, что в поллиниях (комочки пыльцы орхидей) присутствует какое-то вещество, вызывающее разрастание завязи и формирование партенокарпических (бессемянных) плодов. Фиттинг первым предложил ввести в физиологию растений термин «гормон». Так как в дальнейшем исследования сосредоточились главным образом на изучении участия этих физиологически активных веществ в процессах роста и ростовых движений, их стали называть ростовыми гормонами или ростовыми веществами. За 60 лет с начала XX в. были открыты этилен, индолил-3-уксусная кислота (ауксин), цитокинины, гиббереллины, абсцизины, изучены фенольные ингибиторы роста негормональной природы. По мере открытия все новых фитогормонов и изучения разных аспектов их действия становилось очевидным, что физиологически активные вещества этого класса принимают участие не только в процессах роста, но и в созревании, старении, в явлениях стресса, транспорта веществ и во многих других[10].

Следует отметить, что гормональная система растений менее специализирована, чем у высокоорганизованных животных, имеющих обособленные эндокринные железы. В растительных организмах для включенной выключения морфогенетических и физиологических программ используются одни и те же фитогормоны в разных соотношениях[10].

Электрофизиологическая система

Электрофизиологическая система регуляции у растений включает в себя возникновение градиентов биоэлектрических потенциалов (БЭП) между разными частями растения и генерацию распространяющихся потенциалов (потенциала действия и вариабельного потенциала). Градиенты БЭП возникают благодаря различию величин мембранного потенциала (МП) в клетках разных тканей, зон и органов растительного организма. Эти градиенты не остаются постоянными, а совершают медленные периодические колебания, обусловленные изменениями условий внутренней и внешней среды. Разность потенциалов между любыми частями растения не может превышать 100-210 мВ, так как эти величины соответствуют максимальной величине МП растительных клеток. Потенциалы действия (ПД) представляют собой электрические импульсы деполяризации МП продолжительностью 1-60 с и распространяющиеся по плазматической мембране через плазмодесмы из клетки в клетку со скоростью 0,1-1,0 см/с. ПД индуцируется лишь при достижении критического уровня деполяризации МП плазмалеммы и перемещаются по живым клеткам проводящих пучков. Вариабельные потенциалы возникают при градуальном изменении МП плазмалеммы и распространяются по плазматическим мембранам и плазмодесмам в виде медленных волн с периодом 1-10 мин. Распространяющиеся потенциалы индуцируются, как правило, при резких и сильных воздействиях на клетки факторов внешней и внутренней среды. Как распространяющиеся потенциалы, так и градиенты БЭП у растений, очевидно, выполняют, как и у животных, информационные функции. Хорошо известным примером сигнальной функции электрических импульсов служит двигательная реакция у Mimosa pudica L. (складывание листочков, опускание черешков и веток), которая запускается ПД. Наложение извне разности потенциалов на части растения оказывает влияние на интенсивность их роста[15].

Все три межклеточные системы регуляции тесно взаимосвязаны. Фитогормоны оказывают влияние на функциональную активность мембран и транспорт трофических факторов. Электрическая сигнализация действует на транспорт ионов, метаболитов, в том числе фитогормонов и т.д. Важно подчеркнуть, что межклеточные системы регуляции на клеточном уровне действуют только через внутриклеточные системы регуляции, то есть через метаболическую, генетическую и мембранную системы. Таким образом, осуществляется принцип иерархии систем регуляции в целом растительном организме[15].



1.4 Семя

Семя - особая многоклеточная структура сложного строения, служащая для размножения и расселения семенных растений, обычно развивающаяся после оплодотворения из семязачатка (видоизмененный женский спорангий) и содержащая зародыш. Более оправданно определение семени как «зачаточного растения» (его дают многие школьные учебники ботаники); это определение подчеркивает, что из семени разовьётся новое поколение (спорофит) растения. При этом остальные части семени, кроме зародыша, можно считать добавочными структурами (органами), которые обеспечивают развитие зародыша[9].

1.4.1 Биология формирования семян, их основные темпы и морфоструктура

В течение многих миллионов лет эволюции у растений сформировались специальные образования - диаспоры, которые обеспечивали размножение и расселение видов. На ранних этапах эволюции универсальной диаспорой была спора (водоросли и высшие споровые растения), позднее эта функция перешла к семенам.

Семя - одна из структурных единиц воспроизведения, размножения и расселения, которая содержит зачаток нового растения (зародыш) и специализированную запасающую ткань (эндосперм, перисперм), заключенные в защитные покровы - семенную кожуру. Семя, как генеративная диаспора, является надежной системой, поскольку в нем имеются специальные защитные оболочки, запас питательных веществ, и оно при прорастании сразу дает проросток. В ботанической терминологии семя представляет собой зародышевую стадию семенных растений[16].

Формирование семени состоит из следующих процессов: развитие зародыша и эндосперма, рост кожуры, отложение запасных веществ. Начало развития семени и роста околоплодника индуцирует двойное оплодотворение. Затем в развивающихся клетках зародыша и эндосперма активизируются имеющиеся гормоны и начинают синтезироваться новые.

Возникшая из яйцеклетки зигота полярна. Полярность зиготы обусловлена ее расположением в зародышевом мешке и неравномерным притоком питательных веществ. Зигота имеет вытянутую форму. Ее апикальный конец заполнен густой цитоплазмой с мелкими вакуолями. Базальный, обращенный к микропиле, конец имеет мало цитоплазмы, но здесь находится крупная вакуоль. Вначале образовавшаяся зигота делится горизонтальной перегородкой на две клетки, а потом происходит много делений и образуется проэмбрио, состоящий из собственно зародыша и подвеска. В процессе деления клеток зародыш образуется из апикальной части, а подвесок -- из базальной. Зародыши в созревших семенах растений разных видов и родов отличаются по степени своего развития.

После оплодотворения из триплоидного вторичного ядра зародышевого мешка формируется эндосперм, ядро делится, и сначала образуется многоядерная жидкая масса, затем вокруг ядер обособляется цитоплазма и формируются клеточные стенки. Рост эндосперма связан с интенсивным ростом зародышевого мешка.

Только после того как эндосперм достигнет максимального размера, начинается быстрый рост зародыша, происходящий сначала в результате деления клеток. Когда семя сформируется примерно наполовину, клетки зародыша перестают делиться, и рост идет только за счет их растяжения. К переходу в состояние покоя зародыш занимает весь зародышевый мешок. Подвесок к этому времени разрушается. Кожура развивается из интегументов семязачатка.

В процессе формирования зародыша ткань эндосперма расходуется и к моменту созревания семени исчезает частично (у однодольных) или полностью (у двудольных). Запасные вещества откладываются в семядолях, а у некоторых растений в перисперме, который образуется из клеток нуцеллуса. Оставшийся эндосперм затвердевает[9].

После оплодотворения семена становятся основным центром притяжения питательных веществ и фитогормонов. Вещества нужны для построения новых тканей и органов зародыша, кожуры, отложения в запас, а также для формирования тканей и роста околоплодника. Сначала вода и растворенные вещества поступают в растущее семя (зародыш) через плаценту из окружающих тканей семязачатка, а потом -- из эндосперма. Семязачатки снабжаются водой, ассимилятами, элементами минерального питания из вегетативных органов растения через проводящие пучки семяножки. Однако проводящие пучки заканчиваются в области халазы, поэтому далее вещества транспортируются по симпласту. Это передвижение требует затрат энергии. Следовательно, большое значение приобретает усиление дыхания. У некоторых растений зародышевый мешок образует выросты, помогающие захватывать питательные вещества. Для формирования зародыша используются и вещества, образующиеся в результате разрушения клеток нуцеллуса, причем первыми разрушаются клетки, прилегающие к зародышевому мешку[9].

Одновременно с формированием зародыша в семени происходит накопление запасных веществ, необходимых для его прорастания. Сухая масса созревающих семян при этом быстро увеличивается. Нормально развившееся семя -- это гарантия хорошего урожая.

В своей основе процесс отложения запасных веществ в созревающих семенах представляется как бы обратным тому, который происходит при прорастании семян. В семена поступают легкорастворимые и подвижные, более простые соединения, преимущественно сахара, аминокислоты. Здесь они превращаются в высокомолекулярные нерастворимые или почти нерастворимые в воде соединения, главным образом в белки, жиры и крахмал.

На ранних этапах формирования семян влажность их сначала немного увеличивается, а потом в процессе созревания происходит обезвоживание, и семена доходят до воздушно-сухого состояния. Обезвоживание происходит двумя путями: биологическим и физическим. Физический способ -- это испарение, играющее решающую роль на последних этапах созревания. Биологический способ -- это активное выделение воды в насыщенную водой атмосферу полости плода[9].

Конечным этапом созревания семян является их переход в состояние глубокого или вынужденного покоя, в котором они могут находиться долго. В зрелых плодах уже созревшие семена окружены водянистой средой, однако в плоде они не прорастают, что объясняется разными причинами. Во многих сочных плодах, например в яблоках, грушах, плодах боярышника, семена еще не готовы к прорастанию. Чтобы прорасти, им необходима стратификация. В некоторых плодах недоразвит зародыш. В плодах арбуза содержатся ингибиторы, поэтому семена могут прорасти только освободившись от околоплодника[9].

1.4.2 Прорастание семян и развитие проростков

Прорастание семян происходит после периода покоя, обусловленного разными причинами. Прорастание -- это возобновление роста зародыша в результате поступления воды в семя и его набухания. Прорастание тоже состоит из нескольких этапов: набухание, наклевывание семени, период гетеротрофного питания, переход к автотрофному питанию.

Для начала прорастания необходима прежде всего вода. Воздушно-сухие семена, содержащие 5--21 % воды, находятся в состоянии покоя. Вода поступает в семя, и оно набухает. Вода поступает в семя сначала быстро, а потом медленно с помощью двух механизмов - набухания и осмоса. Сначала начинается набухание. Запасные питательные вещества семени содержат большое количество гидрофильных групп (--ОН; --СООН; --NH2), которые притягивают молекулы воды. Уже во время набухания начинается интенсивный гидролиз запасных питательных веществ. В результате гидролиза в клетке увеличивается количество осмотически активных веществ: аминокислот, сахаров. Поэтому включается осмотический механизм поступления воды.

Запасные вещества (белки, жиры, полисахариды) -- это сложные органические соединения, которые не растворяются в воде, поэтому плохо передвигаются. Во время прорастания они превращаются в растворимые, легко используемые для питания зародыша соединения. Для гидролиза запасных веществ необходимы соответствующие ферменты. Часть ферментов находится в семени в неактивном состоянии, они активируются при поступлении воды. Кроме того, синтезируются и новые белки-ферменты. Например, для гидролиза крахмала нужны б-амилаза и в-амилаза; первая синтезируется во время прорастания, а вторая находится в связанном состоянии в сухих семенах. Вновь образуются также ферменты, катализирующие распад белков (протеазы), нуклеиновых кислот (нуклеазы), ферменты, участвующие в превращении жиров (изоцитратлиаза и малатсинтаза). Образование ферментов регулируют гормоны, в частности гиббереллины. У однодольных растений они находятся в эндосперме сухих семян в неактивном состоянии. При поступлении воды гиббереллины активизируются и индуцируют синтез гидролитических ферментов.

Под действием ферментов крахмал превращается в сахар, белки расщепляются на аминокислоты, жиры -- на глицерин и жирные кислоты. Аминокислоты превращаются в органические кислоты и аммиак, который используется для синтеза амидов. В результате аминирования и переаминирования возникают новые аминокислоты. Жирные кислоты в результате в-окисления превращаются в ацетил-КоА, который включается в глиоксисомах в глиоксилатный цикл. Ацетил-КоА взаимодействует со ЩУК, и образуется лимонная кислота. Лимонная кислота превращается в изолимонную, которая под действием изоцитратлиазы распадается на янтарную и глиоксилевую кислоты. Глиоксилевая кислота соединяется со второй молекулой ацетил-КоА, и образуется малат, который окисляется до ЩУК. Таким образом, цикл завершается. Янтарная кислота выходит из глиоксисомы и поступает в митохондрию, где включается в цикл трикарбоновых кислот, затем превращается в ФЕП и с помощью обращенного гликолиза в сахар.

Образовавшиеся в результате распада запасных веществ сахара, аминокислоты, органические кислоты транспортируются в ось зародыша, где используются как строительный материал или как дыхательный субстрат. Из них синтезируются нуклеиновые кислоты, белки и липиды, входящие в состав мембран, компоненты клеточных стенок -- целлюлоза, пектиновые вещества.

Поставщиком энергии для всех этих процессов является дыхание, интенсивность которого увеличивается во много раз сразу после поступления воды. Большое значение для начала прорастания семян имеет увеличение интенсивности пентозофосфатного окислительного пути, так как в нем в качестве промежуточных продуктов образуются пентозы (рибозофосфат, рибулозофосфат), необходимые для синтеза нуклеиновых кислот и для начала С3-цикла, а также восстанавливается НАДФ.

Во время прорастания происходит синтез и активация гормонов. Согласно гипотезе, предложенной В. Овербеком (1956), при прорастании фитогормоны образуются в следующем порядке. Гиббереллины при набухании активируются и вызывают синтез гидролаз. Образовавшиеся при этом нуклеазы катализируют распад нуклеиновых кислот. В результате появляются пуриновые основания, используемые для синтеза цитокининов. Одновременно при распаде белков образуются аминокислоты, в том числе и триптофан, являющийся предшественником ауксина. Ауксин и цитокинины индуцируют деление и растяжение клеток зародыша[9].

Рост зародыша начинается с растяжения его клеток и сопровождается изменением структуры мембран, которые в сухом семени не выявляются, а в прорастающем хорошо различимы; появлением новых органелл, например глиоксисом. Через 10--12 ч от начала набухания митохондрии, деградировавшие в период созревания семян, начинают усиленно расти и дифференцироваться. Через 28 ч происходит деление митохондрий, их число быстро увеличивается. Затем начинаются деления и дифференцировка клеток. Для начала делений клеток необходим синтез ДНК. Известно, что в прорастающих семенах он начинается позже синтеза белков и РНК[9].

Постепенно в процессе прорастания возникают сначала первичные, а потом вторичные ткани. Одними из первых в проростке начинают дифференцироваться проводящие ткани. Развитие проводящих тканей помогает транспорту питательных веществ и гормонов в ось зародыша.

Первым начинает расти зародышевый корешок. Когда влажность семени достигнет 40--60 %, семенная кожура разрывается и появляется кончик зародышевого корня (наклевывание). Рост корня вначале происходит благодаря растяжению его клеток, затем через 1,0--1,5 сут от начала набухания семени начинаются деления клеток. Митозы в клетках зародыша начинаются неодновременно: раньше делятся клетки зародышевого корешка[9].

Дальнейший рост зародыша происходит у разных растений по-разному и зависит от типа прорастания. Существуют два типа прорастания:

1. надземный, или эпигеальный, когда семядоли выходят на поверхность почвы;

2. подземный, или гипогеальный, когда семядоли остаются в почве.

Рисунок 1.1. - Надземное и подземное проростание семян кукурузы (а), гороха (б) и фасоли (в): 1 - колеоптиль; 2 - мезокотиль; 3 - петля; 4 - эпикотиль; 5 - гипокотиль[9].

У двудольных растений с надземным типом прорастания прежде всего растет гипокотиль. Он растет неравномерно и образует петлю, которая раздвигает частицы почвы, почка зародыша расположена внизу. Неравномерный рост гипокотиля и образование петли связаны с растяжением клеток и индуцируются этиленом. Под влиянием света синтез этилена тормозится, гипокотиль распрямляется и выносит семядоли на поверхность. Семенная кожура опадает, а семядоли отделяются одна от другой и разворачиваются. После этого начинают расти листочки зародыша, а верхушечная меристема почечки образует новые листья, узлы и междоузлия. При подземном прорастании вытягивается эпикотиль и выносит почечку на поверхность почвы.

У однодольных растений с подземным прорастанием зерновка остается в почве. После корня начинает расти колеоптиль, защищающий верхушечную почку от повреждения частицами почвы. Когда колеоптиль достигнет поверхности почвы, его рост прекращается и начинает расти первый настоящий лист, который пробивается через щель колеоптиля, расположенную у его верхушки. У однодольных с надземным прорастанием, например у лука, после появления корешка начинает быстро вытягиваться средняя часть семядоли, которая образует петлю, выходящую на поверхность почвы. Затем эта петля разворачивается и выносит почку из почвы.

...