2.1 Стимулирующие фитогормоны
Природные стимулирующие фитогормоны
Ауксины - это группа веществ, продуцируемая растущими верхушками (апексами) стеблей и корней, являются веществами индольной природы. Его химическая структура приведена на рисунке 2 [7].
Рисунок 2 - Структурная формула индолил-3-уксусной кислоты (гетероауксина)
Основным фитогормоном типа ауксина является индолилуксусная кислота (ИУК). Их открытие связано с исследованиями Ч. Дарвина (1860), который установил, что если осветить проросток злака с одной стороны, то он изгибается к свету. Но если верхушку проростка лишить света экранированием и после этого создать условия одностороннего освещения, то изгиба не происходит. Таким образом, было установлено, что органом, воспринимающим одностороннее освещение, является верхушка растения, тогда как сам изгиб происходит в нижней части проростка, а в его верхушке под влиянием одностороннего освещения вырабатывается вещество, которое передвигается вниз и вызывает изгиб [7].
Фитогормоны типа ауксина - ИУК и некоторые близкие к нему соединения широко распространены в растениях. Они сконцентрированы в основном в растущих частях растительного организма: верхушках стебля, молодых растущих частях листьев, почках, завязях, прорастающих семенах, а также пыльце. Образуются в верхушках (апексах) стеблей и корней, затем перемещаются ниже - в зону растяжения клеток - и способствуют их удлинению. Ауксины передвигаются от верхушки побега вниз к его основанию, а затем от основания корня к его окончанию, т.е. полярно. Скорость транспорта ауксинов составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в час. При недостатке кислорода или торможении процесса дыхания различными ингибиторами передвижение ауксинов приостанавливается.
Образование ИУК осуществляется из аминокислоты триптофана, а он синтезируется из шикимовой кислоты. Но выявлен и триптофан-независимый синтез ауксина - из индола и индолглицерофосфата. Содержание ИУК связано не только со скоростью его образования, но и от активности его распада. Основным ферментом, обеспечивающим распад ИУК, является ИУК-оксидаза.
На образование ИУК значительное влияние оказывают внешние условия (снабжение растения азотом, обеспечение водой, степень освещения, эпифитная микрофлора). За счёт изменения содержания фитогормонов осуществляется первоначальное влияние условий внешней среды на процессы обмена веществ и рост. В процессе онтогенеза растительного организма содержание ауксинов изменяется [8].
Ауксины и другие фитогормоны играют существенную роль в синтетической деятельности клеток и являются одним из необходимых условий процесса образования и самовозобновления цитоплазмы. Образующиеся в растениях ауксины - существенное звено регуляции передвижения пластических веществ в растительном организме. Клетки и ткани становятся центрами притяжения воды и питательных веществ, что провоцирует усиление роста клеток и тканей. То есть ауксины являются регуляторами передвижения и распределения разных веществ в растительном организме, регулируя полярность в тканях и органах растений. Они являются важными факторами синтетических превращений, ведущих к перестройке исходных питательных веществ в структурные элементы клеток. В связи с усилением общего обмена под действием стимуляторов роста часто происходит такое перераспределение веществ, при котором расходуются обычно не используемые ранее ресурсы питательных веществ растения.
Препарат на основе ауксина - гетероауксин применяют для укоренения черенков, саженцев. Превышение дозы препарата или времени обработки ведет к синтезу этилена, что неблагоприятно для растений.
Гиббереллины. Представляют собой соединения, относящиеся к дитерпеноидам флуоренового ряда и очень сходны между собой по структуре. Их химическая структура представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Структура молекулы гиббереллина
Впервые были открыты японскими учёными Куросава и Сумика (1926) при исследовании болезни риса (чрезмерном его росте), вызываемой грибом рода Gibberella (сейчас его перенесли в род Fusarium). Его соотечественник Т. Ябута (1935) выделил из этого гриба гиббереллин в кристаллическом виде и дал ему это название. К 1955 г. была окончательно установлена структура первого гиббереллина. Растения вырабатывают похожие вещества - эндогенные гиббереллины. Это самый обширный класс растительных гормонов, их известно уже более 100 [9].
Основной структурной единицей этих гормонов считается гиббереллин ГК9, а остальные рассматриваются как его производные. Они не устойчивы и быстро разрушаются в кислой или щелочной среде. Наибольшей биологической активностью чаще обладает гибберелловая кислота (ГК3), отличающаяся от ГК9 наличием гидроксилов у углеродов и двойной связью.
Гиббереллины вырабатываются в основном в фотосинтезирующих листьях, но могут синтезироваться и в корнях. Они индуцируют и активируют рост стеблей растений, вызывают прорастание покоящихся семян и нарушают период покоя у растений, стимулируют цветение фотопериодически чувствительных растений, способствуют образованию партенокарпических плодов (у винограда, шиповника, вишни, яблони), стимулируют образование и лигнификацию вторичной ксилемы клеток (число лигнифицированных клеток возрастает с увеличением дозы гибберелловой кислоты).
Гиббереллины применяют в практике растениеводства для повышения выхода волокна конопли и льна, для увеличения размеров ягод у бессемянных сортов винограда, для повышения урожайности трав, стимуляции прорастания семян (обработка нарушает состояние покоя тканей и оказывает стратифицирующее действие на семена; при естественном выходе семян из состояния покоя содержание эндогенных гиббереллинов повышается). Из-за вызываемого ими резкого ускорения роста зелёной массы растений, применение их должно сопровождаться усилением питания растений.
Обработка гиббереллинами не влияет на рост корня или угнетает его при увеличении концентрации. Гиббереллины ускоряют деление клеток в зоне, непосредственно примыкающей к верхушке стебля, и рост в фазе растяжения, стимулируют рост (главным образом стеблей и черешков) сильнее ауксинов. При некоторых условиях они могут ускорять рост листьев, цветков и плодов, а также развитие растений, зависящее от температуры и фотопериода, а в определённых условиях - цветение и завязывание плодов. Свет способствует его образованию в растении. Отсутствие или избыток этого гормона определяют некоторые патологические симптомы - карликовость или чрезмерный рост [9].
Рост стебля под действием гиббереллина усиливается не вследствие увеличения междоузлий, а главным образом из-за усиления их роста. Подобно ауксинам, гиббереллин может стимулировать растяжение и деление клеток, однако для него характерно действие на клеточное деление в меристематической зоне. Митозы, возникшие под действием гиббереллинов, ориентируются вдоль главной оси, что в конечном итоге вызывает удлинение стебля. В растении ИУК и гибберелловая кислота взаимодействуют, стимулируя образование новой ксилемы. При росте стебля ИУК активирует транспорт гиббереллина к растущему апексу, а гиббереллин активирует базипетальный транспорт ИУК.
Цитокинины. До 1950-х гг. получить культуры растительных клеток не удавалось. Над этой проблемой работал американец Фольке Скуг. Полученную из стеблей табака сердцевинную паренхиму помещали на искусственные среды, содержащие минеральные вещества, сахар, витамины, аминокислоты, а также ИУК. Клетки паренхимы приступали к делениям, но рост быстро останавливался. В лаборатории Ф. Скуга перепробовали различные добавки: экстракт дрожжей, томатный сок, сок листьев табака, и все безрезультатно. Небольшого успеха удалось добиться только при добавлении в среду кокосового молока. В 1950-х гг. ученые обнаружили, что наследственная информация передается от родителей к потомкам с помощью ДНК (механизм этого явления был не известен). Ф. Скуг предположил, что растительным клеткам не хватает ДНК. В среды начали добавлять ДНК из молок сельди (самый дешевый источник ДНК), но клетки не делились.
Открытие цитокининов состоялось благодаря ошибке ассистента. Он случайно нарушил режим стерилизации, в результате чего нежные молекулы ДНК поверглись гидролизу с образованием производного одного из четырех пуриновых оснований. Это вещество назвали кинетином (от греч. kinesis - деление, структура которого представлена на рисунке 4.
В 1962 г. из семян кукурузы был выделен природный цитокинин-зеатин-6-(4-окси-3-метил-2-енил)-аминопурин [10].
Рисунок 4 - Структура молекулы кинетина
В зоне дифференцировки корня цитокинины отвечают за образование проводящей системы. Так как корень нуждается в продуктах фотосинтеза, транспортируемых флоэмой, цитокинины стимулируют закладку элементов флоэмы.
Цитокинин - это запрос на фотоассимиляты. Если ткань способна образовать хлоропласты, то под действием цитокинина синтезируется хлорофилл. Даже при недостатке света семядоли тыквы, обработанные цитокинином, приобретают зеленый цвет, появляются хлоропласты.
Цитокинины подавляют рост боковых корней. Под их действием развиваются боковые почки на побегах. Таким образом, цитокинины снимают апикальное доминирование, вызванное ауксинами. Они стимулируют рост бессемянных плодов. Обработка цитокинином выводит из состояния глубокого покоя клубни и семена ряда растений, спящие почки древесных растений, повышает энергию и всхожесть семян гороха, кукурузы, люпина, ячменя [11].
Цитокинины стимулируют клеточное деление и заметно повышают его скорость (цитокинез), индуцируют заложение и рост стеблевых почек, как у целых растений, так и у недифференцированных каллусов, а также продлевают жизнь и поддерживают нормальный обмен веществ у изолированных листьев, вызывают их вторичное позеленение.
Классифицируют два типа этих гормонов: аденинового типа, представленные кинетином, зеатином и 6-бензиламинопурином и фенил-мочевинового типа, представленные дифенилмочевиной или тидиазуроном.
Цитокинины аденинового типа синтезируется в основном в корнях, а также в стеблях и листьях. Камбий и другие активно делящиеся ткани растений также являются местом их синтеза. Не показано, что цитокинины типа фенилмочевины естественно встречаются в тканях растений. Они участвуют в местной передаче сигнала, а также в передаче сигнала на расстоянии, причем последний механизм также используется для транспорта пуринов и нуклеозидов, регулируют деления клеток, морфогенез побега и корня, созревание хлоропластов, линейный рост клетки, образование добавочных почек и старение.
Цитокинины не только стимулируют клеточное деление, но и могут изменять строение растительных клеток, выращиваемых в культуре. Если концентрация цитокинина в питательной среде мала (не более 10-9 М), образуются только рыхлые, непрочные ткани. При несколько более высоких концентрациях (от 10-8 до 10-7 М) на поверхности клеточной массы развиваются корешки, и, наконец, при ещё более высоких концентрациях (около 3х10-6 M) начинается образование побегов [12].
Большую роль они играют и в мобилизации, притягивании питательных веществ к местам их локализации. Наиболее активное действие этих фитогормонов проявляется при их взаимодействии с другими, особенно с ауксинами. Цитокинины способны так же вызывать резкую активацию клеточного деления в культуре тканей. Они выполняют регуляторную функцию в растении, а один из их главных физиологических эффектов - способность индуцировать органогенез в культуре тканей растений. Однако эта морфогенетическая особенность цитокининов зависит от уровня других фитогормонов [13]. клеточный синтетический фитогормон растение
Цитокинины повышают устойчивость клеток к самым различным неблагоприятным воздействиям, таким как, температурный стресс, обезвоживание, грибная и вирусная инфекция, механическое воздействие и влияние различных химических агентов.
Гормональная регуляция в культуре клеток и тканей, известна, как правило Скуга-Миллера: если концентрация ауксинов и цитокининов в питательной среде относительно равны или концентрация ауксинов незначительно превосходит концентрацию цитокининов, то образуется каллус; если концентрация ауксинов значительно превосходит концентрацию цитокининов, то формируются корни; если концентрация ауксинов значительно меньше концентрации цитокининов, то образуются почки и побеги [14].
Синтетические стимулирующие фитогормоны
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) [15].
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.