Размещено на http://www.allbest.ru

СИНТЕТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ РОСТА И РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ В БИОТЕХНОЛОГИИ И РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

Одним из важных направлений биотехнологии является использование регуляторов роста и развития растений, которые широко применяются как для воздействия на процессы морфогенеза растений в культуре in vitro, так и для регуляции формирования урожая растений в полевых условиях. Регуляторы роста и развития растений - обширная группа природных и синтетических органических соединений, которые в малых дозах активно влияют на обмен веществ высших растений, что приводит к значительным изменениям в их росте и развитии (Муромцев и др., 1990). К природным регуляторам относятся фитогормоны или гормоны растений - соединения, образующиеся в малых количествах в одной части растения, обычно транспортирующиеся в другую его часть и вызывающие специфический ростовой или формообразовательный эффект. С помощью фитогормонов осуществляется взаимосвязь организма с окружающей средой, взаимодействие клеток, тканей и органов, запуск физиологических программ на отдельных этапах онтогенеза.

Регуляторы роста являются структурными или физиологическими аналогами фитогормонов. Их подразделяют на природные (продукты жизнедеятельности микроорганизмов или растений) и синтетические.

рост растение биотехнология фитогормон

1. ФИТОГОРМОНЫ

Впервые идею о существовании у растений веществ, обладающих регуляторной функцией высказал Ч.Дарвин в книге «Способность к движению у растений» (1880). Изучая тропизмы растений, Ч. Дарвин предположил, что верхушки осевых органов растений способны изгибаться по направлению к свету в результате передачи химического вещества из верхней в нижнюю часть растения. В этом же году Ю.Сакс сделал предположение о наличии в растении веществ, способных передвигаться в различных направлениях и контролировать рост и развитие. Им было высказано мнение, что эти вещества образуются в растении как ответ на средовые условия. Термин «гормон» впервые был введен в физиологию растений Г.Фиттингом (1910), обнаружившим в комочках пыльцы орхидей вещества, вызывающие разрастание завязей и партенокарпию (образование бессемянных плодов).

Дальнейшее изучение фитогормонов привело к открытию ряда соединений: ауксинов, цитокининов, гиббереллинов, этилена, абсцизовой кислоты, брассиностероидов, жасминовой и салициловой кислот и других соединений.

Главными особенностями фитогормонов являются следующие.

1. Гормоны образуются в растениях эндогенно. По современным представлениям, гормоны растений, как и животных, подразделяются на две группы: производные мевалоната (гиббереллины, абсцизовая кислота, брассины, цитокинины) и производные аминокислот: ауксины (из триптофана) и этилен (из метионина, в - аланина и др.).

2. Удаленность места синтеза гормонов от места их функционирования. К примеру, ауксины образуются в апикальных меристемах, а проявляют свое действие в зоне корней. Однако это не означает, что гормоны не проявляют активности в местах синтеза. К примеру, апикальное доминирование под действием ауксинов проявляется именно в точке роста побега.

3. Способность фитогормонов к перемещению. Фитогормоны способны к транспорту по проводящей системе растений, а также по межклеточному пространству.

4. Фитогормоны проявляют физиологическую активность при очень низких концентрациях (10 ^-13 - 10 -⁵ моль/л).

5. В действиях фитогормонов проявляется специфичность, то есть определенный фитогормон действует на специфический процесс (этилен вызывает созревание плодов, гибберелловая кислота способствует удлинению стебля и т.д.).

6. Фитогормонам характерен общий характер проявления: регуляция гормоном определенного процесса у разных видов растений. Последнее свидетельствует о том, что фитогормоны являются продуктами длительной эволюции и возникли как химические вещества, обеспечивающие организму адаптивное преимущество, способность адекватно реагировать на изменения окружающей среды. Ряд фитогормонов синтезируется не только растениями, но и микроорганизмами (индолилуксусная кислота, гиббереллины, цитокинины), что свидетельствует о возникновении гормональной системы регуляции на ранних ступенях развития организмов.

У растений, в отличие от животных, нет специализированных органов, ответственных за образование гормонов, однако существует определенная приуроченность к органам растения. В апикальной меристеме стебля присутствуют в высокой концентрации ауксины, в корнях - цитокинины, в листьях - гиббереллины. (Рис 1).

Рис.1.Основные места образования фитогормонов и направления их транспорта в вегетирующем растении (Полевой, 1989). Примечание: ИУК-индолилуксусная кислота, ЦК-цитокинины, ГА-гиббереллины, АБК- абсцизовая кислота

Фитогормоны по характеру действуя на те или иные процессы подразделяются на стимуляторы и ингибиторы. Стимуляторы ускоряют процесс, ингибиторы его задерживают. Деление это условно, поскольку проявление действия одного и того же гормона в растении зависит от его концентрации, взаимодействия с другими гормонами, фазы онтогенеза. Гормоны могут выступать как стимуляторы одних процессов в растении и ингибировать другие. К примеру, этилен ускоряет созревание плодов и задерживает ростовые процессы. К стимуляторам относятся ауксины, цитокинины, гиббереллины, брассиностероиды; к ингибиторам - абсцизовая кислота, этилен.

1.1 Ауксины

Предположения Ч.Дарвина о том, что в основе движения верхушек растений лежат процессы, основанные на действии регуляторов роста, подтвердились в 10-20-е годы 20-го века в опытах Х.Фиттинга (1907), П. Бойсен-Йенсена (1913) и других авторов. Ф.Вент (1926) впервые выделил ростовое вещество из колеоптилей овса. Срезанные верхушки колеоптилей помещались на агар. В дальнейшем кубики агара накладывались на срезы колеоптилей, что вызывало их рост за счет вещества, перешедшего в агар в результате диффузии. Химическое строение этого вещества было изучено Ф. Кеглем с сотрудниками (1931-1934гг) и получил название акусины (от греческого аuxein- расти).

Метаболизм и транспорт. Первым ауксином, у которого удалось установить химическое строение, стала индолил-3-уксусная кислота (ИУК) - С₁₀ Н ₉ NO₂

1.3 Цитокинины

Природные вещества, способствующие делению клеток растений, были выявлены Г. Хаберландтом (1913) в экспериментах с картофелем. Однако впервые такое соединение было выделено К. Миллером и др. (1955) из автоклавированного препарата ДНК спермы сельди. Это соединение вызывало деление клеток табака и было названо кинетином (6- фурфуриламинопурин). Затем Д. Летам и независимо от него К.Миллер (1963) открыли природный цитокинин в незрелых зерновках кукурузы (зеатин). За способность индуцировать деление растительных клеток (цитокинез) вся группа веществ была названа цитокининами. В последующем были открыты другие вещества, обладающие активностью цитокининов.

Метаболизм и транспорт. Цитокинины были обнаружены в клетках растений, животных, бактерий, грибов, водорослей, мхов. В настоящее время обнаружено более чем 200 природных и синтетических цитокининов (Мацубара, 1990). Наиболее известными среди них являются кинетин (6- фурфуриламинопурин)- С₁₀ Н ₉ N ₅ O, зеатин - С₁₀ Н ₁₃ N ₅ О , ( Рис. 5.) 6- бензил аминопурин - С₁₂ Н ₁₁ N ₅ , 2 ip или ИПА ( С₁₀ H ₁₃ N₅ ).

Рис. 5 Структурная формула зеатина.

Местом синтеза цитокининов являются апикальные меристемы корней, откуда они активно транспортируются с пасокой по ксилеме в надземные органы. Наибольшая концентрация цитокининов обнаружена в меристемах и камбии, развивающихся семенах и плодах, молодых листьях. Цитокинины существуют в свободной и связанной формах. Последние представляют собой транспортные и запасные формы.

Физиологическое действие. Основным свойством цитокининов является стимуляция деления клеток в присутствии ауксинов. Кроме этого установлено, что цитокинины стимулируют и увеличение размера клеток в растущих листьях и семядолях. Механизм этих процессов связан с действием цитокининов на синтез РНК и белков, усиливается синтез многих ферментов, в результате происходит общая стимуляция обмена веществ. В результате замедляется старение клеток и тканей, повышается устойчивость организма к неблагоприятным факторам среды: резким колебаниям температуры, недостатку влаги, повышенной концентрации солей, токсичности химических веществ, грибной и вирусной инфекции (Кулаева, 1973). Усиленная биосинтетическая активность участков, богатых цитокининами, делает их центрами притяжения, к которым притекают аминокислоты, ауксины и др. (аттрагирующее действие).

Важную роль цитокинины играют в развитии надземной части растения. Транспортируясь из корней в надземную часть , цитокинины способствуют формированию хлоропластов, а также их функционированию за счет стимулирования синтеза хлоропластных РНК и белков. При обработке стареющих листьев экзогенными цитокининами задерживается распад хлорофилла, белка и РНК; поддерживается их фотосинтетическая активность и аттрагирующая способность, пожелтевшие листья вновь зеленеют. Цитокинины участвуют в регуляции транспирации листьев, открывая устьица.

Цитокинины выполняют важную роль в регуляции органогенеза. Они способны снимать эффект апикального доминирования, обусловленный действием ауксинов. При преобладании цитокининов над ауксинами происходит закладка стеблевых почек и ветвление побегов. В культуре in vitro под действием цитокининов из экспланта или каллусной ткани происходит регенерация побегов, что является основой клонального микроразмножения растений.

Цитокинины индуцируют зацветание некоторых видов растений в условиях неблагоприятного фотопериода.

Действие цитокининов на развитие корневой системы растений неоднозначно. При низких концентрациях может происходить стимуляция развития корней , при высоких - угнетение.

Цитокинины способны выводить из состояния покоя семена и клубни ряда культур. Они участвуют в формировании мембранной системы, ускоряют использование запасных веществ в клетках семядолей, регулируют транспорт ионов К⁺, Н⁺, Са ²⁺.

В последние годы установлено, что цитокинины не только усиливают синтез белков, но и способны дерепрессировать гены, вызывая индукцию новых ферментных белков.

1.4 Абсцизовая кислота

Впервые это соединение обнаружено в зрелых коробачках хлопчатника В.Лью и Х. Карнсом в 1961 году. Название абсцизовая кислота получила в связи со способностью ускорять опадение листьев и плодов ( анг. abscission - опадение). Молекулярное строение абсцизовой кислоты (АБК) было установлено в 1965 году одновременно К. Окумой и Дж. Корнфортом.

Метаболизм и транспорт. Абсцизовая кислота синтезируется из мевалоновой в хлоропластах и других пластидах. Обнаружена в покрыто - и голосеменных растениях, мхах, зеленых водорослях, грибах, пока не выявлена в бактериях. АБК присутствует во всех органах высших растений, но максимальное накопление отмечено в старых листьях, зрелых плодах, покоящихся семенах и почках. Относится к сесквитерпенам - С₁₅ Н ₂₀ О₄ (Рис.6)

Рис.6. Структурная формула абсцизовой кислоты.

Возможно также образование обсцизовой кислоты путем распада каротиноидов из виолаксантина под действием света. Синтез АБК ночью происходит в 50-60 раз активнее, чем днем. АБК транспортируется в растениях акропетально и базипетально по флоэме и ксилеме. Может быть представлена в свободной и связанной форме.

Физиологическое действие. Абсцизовая кислота задерживает рост в фазе растяжения и деления клеток, не проявляя токсического действия даже в высоких концентрациях. АБК ингибирует синтез и ускоряет распад ДНК, РНК, белков, хлорофилла. Она вызывает состояние покоя ( зимний покой почек древесных пород, покой семян), ускоряет опадение листьев, цветков и плодов и старение клеток. АБК образуется в листьях в условиях короткого дня и служит для перехода почек осенью в состояния покоя. АБК является антагонистом ауксинов, гиббереллинов и цитокининов, т.е. имеет широкий спектр торможения биохимических процессов, молекулярный механизм которого не изучен.

В то же время АБК может стимулировать отдельные процессы: развитие партенокарпических плодов у розы, удлинение гипокотиля огурца, образование корней у черенков фасоли, образование клубней картофеля.

Важную роль АБК выполняет в реакции организма на различные стрессы. Ее содержание возрастает при избытке солей, неоптимальной температуре, дефиците воды и минерального питания, инфекции , облучении и др.

Достаточно хорошо изучена роль АБК в реакции растения на засушливые условия. Предполагаются два возможные механизма участия АБК в этом процессе: 1) быстрое закрывание устьиц в результате накопления АБК в замыкающих клетках;2) повышение проводимости и активизация роста корней. Закрывание устьиц после обработки АБК наблюдается уже через 3 минуты.

1.5 Этилен

Является единственным газообразным регулятором роста растений (С₂Н₄). Гормональная природа этилена была впервые изучена русским ученым Д.Н. Нелюбовым (1901), который обнаружил, что под действием этилена происходит ингибирование растяжения, утолщение и рост в горизонтальном направлении проростков гороха. Ф. Денни (1924) впервые доказал, что этилен стимулирует созревание.

Метаболизм и транспорт. Этилен синтезируется в высших растениях , бактериях и грибах. В растениях этилен образуется из метионина во всех частях организма, но с разной интенсивностью. Образование этилена в растениях тормозится при недостатке кислорода и регулируется светом. К примеру, свет стимулирует синтез этилена у семян салата , сорго, клюквы. В онтогенезе способность отдельных тканей к синтезу этилена изменяется. Наличие эндогенных ауксинов индуцирует образование этилена. В молодых растениях этилен синтезируется в меристематических тканях, при старении максимальный синтез этилена отмечен в отмирающих листьях и созревающих плодах. Образование этилена в растении усиливается при стрессовых ситуациях и поранениях. Известно, что еще древнем Египте созревание фиг ускорялось надрезами, т.е. способность этилена регулировать созревание плодов давно использовалось человеком. Этилен способен перемещаться по межклетникам и выделяться в окружающую среду.

Физиологическое действие. На клеточном уровне этилен вызывает задержку митозов в меристемах побега и корня , что связано с ингибированием синтеза ДНК. Под действием этилена продольное направление роста клеток сменяется на поперечное , что приводит к утолщению стебля. Обработка этиленом индуцирует корнеобразование на стебле. У многих видов ускоряет прорастание пыльцы, семян, клубней и луковиц, устраняет апикальное доминирование, тормозит транспорт ауксинов, выступая как их антагонист.

Д.Н. Нелюбовым (1901) было выявлено тройственное действие этилена на проростки гороха (Рис. 7). Предполагают, что такой характер роста проростков имеет приспособительное значение и может возникать при образовании почвенной корки или иного препятствия на пути прорастающего семени. Изгиб проростка в этом случае позволяет обойти препятствие и выйти на поверхность почвы

Рис.7. Тройственое действие этилена на проростки гороха ( Р.Н.Артека, 1995)

Этилен в большинстве случаев ингибирует цветение , однако может оказывать и стимулирующий эффект на этот процесс у отдельных культур : ананас, манго и др. В этом случае растения могут обрабатываться этиленом непосредственно или соединениями, выделяющими этилен ( этрел). Этилен играет важную роль в регуляции осыпания цветков, листьев и плодов. Благодаря способности этилена индуцировать процесс созревания плодов его называют гормоном созревания. В настоящее время создан ряд трансгенных растений (томат, дыня, баклажан и др.), у которых нарушен синтез этилена, что обеспечивает длительное хранение плодов. С другой стороны, экзогенный этилен может использоваться для ускорения созревания плодов. К примеру, еще в Древнем Китае производилось окуривание груш в закрытом помещении для ускорения созревания.

Концентрация этилена возрастает при стрессах, что предполагает его защитную роль. Стрессовый этилен индуцирует синтез фитоалексинов (защитных веществ) и фермента хитиназы, разрушающего клеточные стенки патогенных грибов. Этилен также стимулирует синтез абсцизовой кислоты.

Этилен ускоряет процесс старения и отмирания растения и связанные с ним процессы деградации синтеза РНК, белков, хророфилла

1.6. Брассиностероиды

В 1979 году группой американских ученых ( M.D.Grove et al, 1979) из пыльцы рапса было выделено и идентитифицировано вещество гормональной природы - брассинолид ( Рис.8). В последующем были обнаружены и другие представители этой группы ( эпибрассинолид, гомобрассинолид и др.), являющиеся стероидными соединениями, получившие название брассиностероиды (от латинского наименования рапса Brassica napus). В настоящее время достигнуты успехи в области химического синтеза брасcиностероидов (Хрипач, Лахвич, Жабинский, 1993)

Рис. Структурная формула брассинолида

Метаболизм и транспорт. Брассиностероиды обнаружены во многих растениях и водорослях. Идентифицировано более 60 видов брассиностероидов. Не ясно, в каком органе растения происходит синтез, однако брассиностероиды обнаружены в пыльце, листьях, цветках, семенах, побегах. Метаболизм и транспорт соединений в растениях слабо изучен. Предполагается, что исходными соединениями для образования брассиностероидов в растениях являются стерины. Брассиностероиды могут образовывать коньюгаты с углеводами.

Физиологическое действие. Брассиностероиды являются «регуляторами регуляторов», поскольку контролируют действие ауксинов, гиббереллинов, АБК, этилена. Они способны стимулировать образование этих гормонов, а также усиливают синтез ключевых ферментов нуклеинового обмена растений - ДНК-полимеразы, рибонуклеазы, АТФ-азы. При совместном действии с ауксинами, гиббереллинами или цитокининами, как правило проявляют синергизм, т.е. взаимное усиление эффекта. Стимулируют рост и развитие растений при низких концентрациях.

Брассинолиды способствуют синтезу этилена и эпинастиям, обеспечивают удлинение побегов многих растений при низких концентрациях. Брассиностероиды ингибируют рост и развитие корней и в этом случае являются антагонистами ауксинов. Выявлен множественный физиологический эффект брассиностероидов: ускорение транспорта ассимилятов, дифференциация ксилемы, прорастание семян, уменьшение осыпания плодов и др. Важную роль БС выполняют при развитии семяпочки и образовании семян.

В настоящее время установлена способность БС повышать устойчивость растений к холоду, засухе, засолению, грибным заболеваниям. Прменение брассиностероидов в практическом растениеводстве обеспечивает повышение урожая у пшеницы, кукурузы, риса, сои, огурца, картофеля, томатов и др.

Распространенность в растениях, малая токсичность, действие при низких концентрациях свидетельствуют о перспективах использования брассиностероидов в практике сельского хозяйства.

В настоящее время эпибрассинолид (эпин), разработанный в Институте биоорганической химии НАН Беларуси совместно с российскими коллегами, вошел в список разрешенных препаратов в Беларуси для применения на ряде культур: для повышения урожайности и устойчивости к болезням ячменя, сахарной свеклы, картофеля, капусты, томата, перца, огурца. Установлена также способность эпина снижать накопление нитратов, тяжелых металлов, радионуклидов у томата и перца. Рекомендован эпин и на декоративных культурах (гладиолусы, розы, тюльпаны) для ускорения выхода цветоносов, повышения устойчивости к болезням, улучшения декоративных качеств цветков.

1.7 Новые вещества гормональной природы

До недавнего времени к гормонам относились вещества, относящиеся к пяти группам соединений: ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота и этилен. Позднее были открыты брассиностероиды. Однако исследования гормональной регуляции растений свидетельствуют о том, что к числу гормонов могут быть отнесены салициловая и жасминовая кислоты (Р.Н.Артека1995), а также фузикокцины (Г.С. Муромцев, 1996). Основанием отнесения этих веществ к гормонам служат следующие критерии: обнаружение у большого количества растений, способность к транспорту в растениях, проявление ростовых или формообразовательных эффектов под действием низких концентраций вещества. Дадим краткую характеристику этим соединениям.

1.7.1Салициловая кислота

Еще древние греки и американские индейцы обнаружили, что листья и кора ивы обладают обезболивающим и жаропонижающим действием.R.Piria в 1838 году назвал действующее вещество ивовой коры салициловой кислотой (от латинского названия ивы Salix), а уже в 1874 году в Германии началось производство аспирина (торговая марка ацетилсалициловой кислоты). Последняя легко превращается в салициловую кислоту в жидкой среде.

Метаболизм и транспорт. Салициловая кислота является фенолом -С₇Н₆О₃ (Рис . 9).

Рис. .9 . Структурная формула салициловой кислоты.

Она широко распространена у растений и обнаружена у 34 видов. В растениях салициловая кислота синтезируется из шикимовой кислоты. Место синтеза и направления транспорта в растениях слабо изучены, однако ее физические свойства дают основание предполагать возможность транспорта в различные органы. Показано, что салициловая кислота способна перемещаться по флоэме.

Физиологическое действие. Салициловая кислота обнаружена в листьях и репродуктивных органах растений. Выделяют три основных функции салициловой кислоты: стимуляция цветения, выделение тепла растениями и повышение устойчивости к болезням. Стимуляция цветения выявлена в культуре in vitro у табака.

Под действием салициловой кислоты у некоторых видов лилий происходит выработка тепла, повышающая температуру отдельных частей генеративных органов на 14 ⁰С .

Салициловая кислота участвует в механизме системной устойчивости растения к патогену. Она обнаружена в непосредственной близости к участкам некроза тканей, возникающим в местах проникновения патогенов. Выявлено, что под действием салициловой кислоты образуются специфические протеины, вызывающие системную устойчивость даже здоровых растений в отсутствии патогена.

1.7.2 Жасминовая кислота

Впервые обнаружена Е.Демолом (1962) в эссенции масла жасмина Jasminum grandiflorum. В настоящее время соединения жасминовой кислоты обнаружены в 206 видах растений, принадлежащих к 150 семействам, а также в грибах.

Метаболизм и транспорт. Жасминовая кислота в растениях образуется из линоленовой кислоты (Рис. 10) Метаболизм и транспорт изучены слабо. Максимальное накопление отмечено в апексах стебля, незрелых плодах, молодых листьях и кончиках корешков.

Рис. 10 Структурная формула жасминовой кислоты.

Физиологическое действие. Жасминовая кислота (ЖК) и ее соединения оказывают как ингибирующее, так и стимулирующее влияние на ряд процессов и сходны в своем действии с абсцизовой кислотой и этиленом. Экзогенное применение ЖК ингибирует рост проростков и корней, рост микоризы, культуры тканей, эмбриогенез, прорастание семян и пыльцы, образование почек, биосинтез каротиноидов, образование хлорофилла и активность фотосинтеза.

Жасминовая кислота стимулирует дифференциацию в культуре тканей, образование адвентивных корней, выведение семян из состояния покоя, созревание плодов, отмирание и осыпание листьев, образование клубней , свертывание усиков, закрытие устьиц, деградацию хлорофилла, дыхание, биосинтез этилена и протеинов. Жасминовая кислота выступает как антагонист цитокининов в процессах старения и отмирания листьев.

Установлено, что жасминовая кислота может регулировать экспрессию генов, ответственных за синтез запасных белков, а также стрессовых белков, обеспечивающих защиту организма от патогенов, насекомых, физических и химических стрессов.

1.7.3 Фузикокцин

Стероид, впервые обнаруженный как метаболит фитопатогенного гриба Fusicoccum amygdali Del., группой итальянских исследователей (Dallio et/al., 1964)- С₃₆ Н₅₆ О₁₂.Впоследствии установлено, что фузикокцин синтезируется в растении и регулирует ростовые процессы (Г.С.Муромцев, 1996). Фузикокцин способствует растяжению клеток, усилению транспирации, открыванию устьиц в темноте, выведению семян из состояния покоя, ускорению их прорастанию

Сотрудниками ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии (Москва) показано, что фузикокцин - эффективный индуктор корнеобразования у многих плодовых, ягодных и древесных культур. В производственных условиях предпосевная обработка фузикокцином повышает энергию прорастания семян сахарной свеклы, моркови, томатов, обеспечивает прибавку урожая. Стимулирующее действие фузикокцина более четко проявляется в стрессовых условиях (неоптимальные температура и увлажнение).

2. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФИТОГОРМОНОВ

Фитогормоны выполняют важную роль, обеспечивая связь организма с окружающей средой. Изменение средовых условий приводит к преимущественному синтезу того или иного гормона. Гормон транспортируется к клеткам - мишеням, которые обладают компетентностью, т.е. способностью реагировать на определенный гормон. Компетентность клетки связана с тем, что в ней вырабатывается специальный белок рецептор, способный взаимодействовать с гормоном и образовывать активные гормон- рецепторные комплексы. Считают, что в одной клетке могут находиться несколько видов рецепторов одного гормона, что обусловливает возможность различных реакций компетентной клетки на гормоны. Процесс образования гормон - рецепторных комплексов более подробно изучен у животных. Есть основания считать , что у растений он происходит аналогично, поэтому приведем два возможных варианта этого процесса. Имеются два класса гормонов у животных : стероидные и пептидные. Их наличие предполагается и у растений. ( Р.Н. Артека 1995). Стероидные гормоны образуют гормон - рецепторный комплекс в цитоплазме. Комплекс транспортируется в ядро и регулирует синтез РНК в клетках, воздействуя на матричную активность хроматина и активность РНК - полимераз. В результате изменения активности генов происходит синтез новых белков и проявляется эффект действия гормона (Рис . 11а ).

Рис.11 Механизм действия стероидных (А) и пептидных (В) гормонов (Р.Н. Артека, 1995)

Второй класс пептидных гормонов связывается с рецептором на плазмалемме, изменяет аденилатциклазу, что приводит к образованию циклического аденозинмонофосфата (АМФ) из АТФ, который действует как вторичный посредник ( мессенджер), вызывая ответную реакцию (Рис. 11.б ).

В растениях также обнаружены цитоплазматические белки, специфично связывающие фитогормоны. На основании работ с ауксинами и цитокининами можно утверждать, что комплексы фитогормонов с рецепторами при поступлении в ядро регулируют процессы передачи генетической информации в цепи ДНК РНК белки. ( Кулаева, 1982, Муромцев и др. 1990) .

В растениях также обнаружены белки-рецепторы, локализованные в плазмалемме. Механизм действия гормон-рецепторных комплексов, образующихся на плазмалемме, отличается от предыдущего тем, что комплекс не взаимодействует с хроматином. Происходит быстрое проявление физиологического эффекта: выброс протонов или ионов Са ²⁺ и как следствие усиление роста растяжением при действии ИУК или ГК; выброс ионов К⁺ и осмотически активных веществ при действии АБК на замыкающие клетки устьиц и др. ( Муромцев и др.1990)).

Одним из вероятных путей влияния фитогормонов на геном является уменьшение степени метилирования ДНК, что увеличивает возможность считки генетической информации. Известно, что такой способностью обладают цитокинины, блокирующие присоединение СН ₃- групп к ДНК.

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФИТОГОРМОНОВ. ФИТОГОРМОНЫ В ОНТОГЕНЕЗЕ РАСТЕНИЙ

Регуляторный эффект на рост и развитие растений достигается двумя путями: 1) изменение дозы гормона; 2) взаимодействие фитогормонов. В зависимости от концентрации гормона его действие на один и тот же процесс может изменяться от стимуляции до ингибирования. Кроме того, изменение концентрации может привести и к изменению характера действия гормона и физиологического ответа.

Так, в культуре in vitro ауксины при оптимальных концентрациях способствуют корнеобразованию, а при высоких - вызывают каллусогенез.

Важным фактором гормональной регуляции является взаимодействие фитогормонов, обеспечивающее единство гормональной системы растений. Действие фитогормонов может проявляться последовательно ( каскадно), когда один фитогормон индуцирует действие другого. К примеру, брассиностероиды стимулируют синтез ауксинов и цитокининов, а ауксины способствуют синтезу этилена .

Взаимодействие гормонов растений может наблюдаться в двух формах: синергизм и антагонизм. Синергическое действие связано с взаимным усилением действия гормонов на какой-либо процесс. Так, например, регенерация побегов из каллуса будет активизироваться под действием цитокининов в присутствии ауксинов.

Антагонизм действия гормонов связан с взаимодействием стимуляторов и ингибиторов. Такое взаимодействие является универсальным механизмом регуляции скорости протекания физиологических процессов и обеспечивает приспособление организма к условиям среды. ( Табл.3.1)

Все процессы проходящие в онтогенезе, регулируются гормонально. Каждый из этапов онтогенеза имеет свою гормональную специфику. Обычно развитие высших растений подразделяют на четыре этапа. 1)эмбриональный - развитие зародыша от образования зиготы до созревания семени; 2)ювенильный - этап от прорастания семян до формирования вегетативных органов; 3) этап зрелости и размножения - этап готовности к зацветанию и образованию органов вегетативного размножения, цветения, формирования плодов и семян: 4) этап старости и отмирания - период от полного прекращения плодоношения до естественной смерти организма.

Табл.3.1 Взаимодействие фитогормонов (по В.И. Кефели , 1984 с дополнениями)

* В числителе - фактор, стимулирующий процесс, в знаменателе - подавляющий процесс.

На эмбриональном этапе первые фазы развития зиготы идут под действием брассиностероидов, цитокининов и ауксинов, а при созревании семени их содержание уменьшается и увеличивается содержание АБК.

На ювенильном этапе снова усиливается синтез ауксинов, цитокининов и гиббереллина.

На этапе зрелости и размножения важную роль играют гиббереллины, которые обусловливают развитие цветоноса. Развитие генеративных органов материнского организма совпадает с ювениальным этапом дочернего (следующее поколение).

На этапе старости и отмирания уменьшается содержание ауксинов и цитокининов и накапливаются АБК и этилен.

Присущая растениям полярность проявляется и на гормональном уровне. Можно выделить два основных доминирующих центра в растении: верхушки побегов (ИУК) и кончики корня (цитокинины). Доминирующие центры во взаимодействии с листьями, вырабатывающими гиббереллины и АБК обеспечивают баланс развития надземной части и корневой системы и служат важнейшим эндогенным механизмом роста и морфогенеза растения. Гормональная система на каждом этапе развития характеризуется определенным статусом. Гормональный статус растения - состояние фитогормональной системы в онтогенезе растений, уровни фитогормонов и соотношение между ними в процессах образования, передвижения, использования и инактивации в ответ на внешние воздействия (Шевелуха и др., 2003). Гормональный статус зависит от биологии растения, этапа онтогенеза, условий внешней среды. Он может быть изменен воздействием экзогенных факторов (технологические приемы возделывания растений). Наиболее радикальный способ изменения гормонального статуса растений и регуляции онтогенеза - воздействие экзогенными регуляторами роста.

Особую роль гормональный статус растения имеет в культуре in vitro. К примеру, гормональный статус исходного растения и отдельных его органов определяет успех регенерации из эксплантов, взятых с растения. Процесс клонального микроразмножения на всех его этапах - пример активной регуляции гормонального статуса растения для получения посадочного материала.

В настоящее время создано большое количество регуляторов роста различной природы, используемых в биотехнологии и растениеводстве.

4. ПРИРОДНЫЕ И СИНТЕТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ РОСТА И РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ

Все природные и синтетические соединения, участвующие в регуляции процессов роста и развития растений, могут быть объединены под общим названием регуляторы роста и развития - фиторегуляторы. Таким образом, понятие «фиторегулятор» шире, чем понятие «фитогормон». Фиторегуляторы можно классифицировать по способу получения на природные и синтетические. Первые получают из природных объектов (растения, микроорганизмы и др.), вторые синтезируют химическим путем.

Получение фиторегуляторов из природных объектов представляет большой интерес, поскольку получаемые вещества, как правило, экологически безопасны. Так , в Институте Генетики Молдовы из различных растительных объектов (томат и др.) выделено около 100 новых соединений стероидной природы, обладающих широким спектром биологической активности (молдстим, павстим, экостим и др.) Основной характер действия - повышение урожайности зерновых, овощных и технических культур, устойчивости к неблагоприятным факторам внешней среды, грибным и вирусным заболеваниям. В Институте биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины создан ряд фиторегуляторов из природных объектов, многие их которых рекомендованы в Беларуси. Так, например, Эмистим С - продукт жизнедеятельности эпифитных грибов, выделенных из корневой системы облепихи или женьшеня на искусственной питательной среде. Включает комплекс фитогормонов ауксиновой, цитокининовой природы, аминокислот, углеводов, жирных кислот, микроэлементов. Механизм действия регулятора основан на активизации белоксинтезирующей системы. Используется для повышения прорастания семян, повышения урожая и качества продукции на пшенице озимой, ячмене яровом и озимом, свекле сахарной, льне-долгунце, картофеле.

В этом же институте создан ряд препаратов на основе композиции природных и синтетических регуляторов роста (агростимулин, бетастимулин, потейтин, ивин, люцис), рекомендованных в Беларуси на различных культурах

В Институте проблем использования природных ресурсов и экологии НАН Беларуси на основе торфяного сырья разработана технология и освоено промышленное производство гуминовых препаратов «Гидрогумата» и «Оксигумата», обладающих рост стимулирующим и защитным действием. Гидрогумат обеспечивает повышение устойчивости к болезням и повышение урожая пшеницы озимой, тритикале, ячменя ярового, кукурузы, ржи озимой, картофеля, гороха, капусты, огурцов, томатов, перцев, бобов; оксигумат обладает аналогичным действием на зерновых культурах, картофеле, огурцах, томатах. Институтом разработан ряд препаратов комплексной природы (мальтамин, оксидат торфа, феномелан). Гидрогумат входит в состав препаратов Сейбит (Сейбит П и Сейбит В1), применяемых на ржи, озимых тритикале, ячмене, яровом овсе, картофеле для повышения урожая.

Химический синтез некоторых регуляторов роста достаточно сложен, и для их получения используются микроорганизмы (фитопатогены, клубеньковые бактерии, микоризные грибы и др.). Такой способностью обладают прежде всего микроорганизмы, находящиеся в контакте с растением. По-видимому, эволюция этих микроорганизмов шла по пути приспособления к растению и взаимодействия с ним (паразитизм, симбиоз и др.). Функциональной роли в жизни бактерий гормоны не играют, но синтез гормонов необходим микроорганизмам для воздействия на растения.

К числу регуляторов роста , которые могут синтезироваться микроорганизмами, относятся ауксины (ИУК), вырабатываемые азотобактером; гиббереллины, выделяемые из грибов Fusarium moniliforme u Gibberella fujikuroi. Для промышленного получения гиббереллина используют гриб Fusarium. Фитопатогенный гриб Fusicoccum amygdali используется для синтеза фузикокцина.

Кроме природных, в биотехнологии и растениеводстве широко применяются синтетические регуляторы роста: аналоги и антагонисты известных групп фитогормонов (ауксинов, цитокининов, гиббереллинов, брассиностероидов, этилена, абсцизовой кислоты).

Ряд синтетических аналогов ауксинов используется для повышения корнеобразования : индолил 3-уксусная кислота (ИУК), индолил-3 -масляная кислота (ИМК), б-нафтилуксусная кислота (НУК). Их применяют как в культуре in vitro при микроразмножении, так и при традиционном производстве посадочного материала плодовых и ягодных растений на основе размножения зелеными или одревесневшими черенками. Возможны три варианта использования ауксинов для укоренения: . Обмакивание в порошок, содержащий ауксин в смеси с фунгицидом и тальком, кратковременная обработка конца черенка спиртовым раствором препарата и длительное замачивание в водном растворе (12-24 часа ).

К аналогам ауксинов относятся фенилпроизводные : 2,4 - дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4- Д); 4-хлорфеноксиуксусная кислота (4-Х); 2,4,5 - трихлорфеноксиуксусная кислота (2,4,5-Т).Эти вещества обладают высокой активностью, вызывают каллусогенез в культуре in vitro, а в растениеводстве применяются как гербициды.

К антиауксинам может быть отнесена 2,3,5 - трийодбензойная кислота (ТИБК), снимающая эффект апикального доминирования и обеспечивающая увеличение числа продуктивных побегов.

К числу синтетических цитокининов относятся кинетин, 6-бензилами-нопурин. Основное их назначение - использование в культуре in vitro для активизации деления клеток и процесса регенерации, а также снятия эффекта апикального доминирования и увеличения коэффициента размножения при клональном микроразмножении растений.

Гиббереллины получают путем микробиологического синтеза из патогенного гриба Gibberella fujicuroi. Они аналогичны гиббереллинам растений. В биотехнологии чаще используют гибберелловую кислоту ГА₃ для удлинения стебля микрорастений при клональном микроразмножении. В растениеводстве часто применяют гибберсиб (натриевые соли гиббереллиновых кислот) для повышения урожая и качества продукции у картофеля, гороха, фасоли, люцерны, лука репчатого, капусты, огурцов и томатов. У томатов гибберсиб стимулирует образование завязей.

Среди брассиностероидов наибольшее практическое распространение получил синтезированный в Институте биоорганической химии НАН Беларуси эпибрассинолид ( название препарата Эпин), рекомендованный в республике на ряде полевых, овощных и декоративных растений.

Среди производных этилена практическое применение нашла 2- хлорэтилфосфоновая кислота (2-ХЭФК, этефон), способная распадаться с выделением этилена. В республике на основе этефона рекомендован серон, применяемый как ретардант для предотвращения полегания и повышения урожая озимой пшеницы и ярового ячменя. Полный список регуляторов роста и микробиологических препаратов, разрешенных для применения в Республике Беларусь годы, приведен в приложении.

5. ФИТОГОРМОНЫ И РЕГУЛЯТОРЫ РОСТА В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

Применение регуляторов роста является одним из основных элементов интенсивных технологий. Изменение гормонального статуса растений под воздействием экзогенных регуляторов роста обеспечивает повышение активности метаболических процессов в растении, устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам, повышает урожайность и качество продукции. Регуляторы роста весьма эффективны не только для полевых , но также плодовых, ягодных , овощных и декоративных культур. Применение регуляторов роста определяется этапом онтогенеза, средовыми условиями и задачами , решаемыми с помощью фиторегуляторов ( корнеобразования, выведение семян из состояния покоя, регуляция развития вегетативных генеративных органов, регуляция плодообразования и созревания, регуляция устойчивости растения, качества продукции и др).

Корнеобразование. Образование корней у черенков плодовых и ягодных растений индуцируется экзогенными ауксинами. К числу часто употребляемых препаратов относится гетероауксин путем замачивания черенков перед высадкой в грунт в 0,005- 0,02 % растворе в течение 10-24 часов. Высокой эффективностью индукции корнеобразования обладают также (ИМК и НУК) кислоты. Способностью ускорения развития корневой системы у роз и тюльпанов обладает эпибрассинолид ( эпин), стимулирует корнеобразование озимой ржи и пшеницы хитодекстрин.