Лекция № 8-9 Синтетические регуляторы роста и развития растений

1. Механизм действия синтетических регуляторов роста

2. Классификация синтетических регуляторов роста

3. Аналоги и антогонисты ауксинов

4. Аналоги и антоггонисты цитокининов

5. Аналоги и антогонисты гиббереллинов

6. Аналоги и антагонисты этилена.

7. Аналоги и антогонисты абсцизовой кислоты.

1. Механизм действия синтетических регуляторов роста. Фиторегулятором называют природное или синтетическое вещество, способное вызывать ростовые или формативные эффекты и не являющиеся в применяемых концентрациях источником питания или фитотоксином. Т.обр., любое вещество, влияющее на рост и развитие растений, если оно не влияет на рост растений как удобрение и не угнетает его как гербицид, является фиторегулятором.

Первые работы, связанные с практическим использованием физиологически активных веществ, были проведены с этиленом. В 1924 г. Американский физиолог Ф. Денни показал, что этилен ускоряет созревание лимонов.

Во второй половине 30-х годов 20 в. Ф. Густавсон установил, что ауксин способен индуцировать образование партенокарпических плодов, а П. Циммерман и А. Хитчкок нашли, что при опрыскивании растений этим веществом на стеблях и даже плодах могут появляться корни. Затем была обнаружена сильная физиологическая активность у таких синтетических соединений, как 2-НОУК(1938 г.) и 2,4-Д(1941 г.) [28].

В настоящее время известно более 5 тыс. соединений, имеющих высокую физиологическую активность в отношении роста и развития растений, из них на практике применяется около 50-60. Регуляторы роста в поcледнее время приобретают всю большую популярность: 1) они способствуют росту урожайности различных сельскогхозяйственных культур, 2) обеспечивая качество сельхозпродукции, 3) эти препараты в садоводстве, виноградоводстве, овощеводстве применяются для ускорения при размножении.

Физиологическая активность большинства фиторегуляторов обусловлена их способностью влиять на какой-то компонент фитогормональной системы. Это достигается за счет ряда причин: 1) повышение уровня фитрогормона при введении извне его аналога; 2) воздействия на биосинтез фитогормона (стимулирование или подавление); 3) блокирование транспорта фитогормона; 4) воздействия на систему инактивации фитогормона (стимулирование или подавление); 5) конкуренции за присоединение к рецептору фитогормона; 6) инактивации фитогормонрецепторного комплекса.

Любые биологически активные вещства, регуляторы роста требуют осторожного обращения с ними. Передозировка этих соединений опасна: можно не только не получить ожидаемого эффекта, но и столкнуться с прямопротивоположным результатом.

Для успешного практического применения всех фитогормонов или их синтетических заменителей необходимо соблюдение определенных основных условий:

- Фитогормоны оказывают влияние лишь тогда, когда в растении их недостает. Это чаще всего наблюдается в особые, переломные моменты жизни растительного организма (прорастание семян, цветение, образование плодов), а также когда нарушена целостность растительного организма (черенки, изолированные ткани). В некоторых случаях условия внешней среды препятствуют образованию гормонов, тогда этот недостаток может быть восполнен их экзогенным внесением.

- Клетки, ткани, органы должны быть компетентны (восприимчивы) к фитогормонам. Компетенция связана с общим состоянием внутриклеточных процессов. Клетка может быть на одной фазе роста компетентна к внесению данного фитогормона, а на другой – нет.

- Необходимо достаточное снабжение растения водой и питательными веществами.

- Действие всех гормонов зависит от концентрации. Повышенная концентрация сверх определенного уровня вызывает не стимуляцию, а резкое торможение роста и даже гибель растений.

- Эндогенные (естественные) фитогормоны локализованы в отдельных компартментах (отсеках) клетки. При внесении извне распределение гормонов будет иным. В этой связи экзогенное внесение не может полностью заменить гормоны, образовавшиеся при естественном метаболизме.

2. Классификация синтетических регуляторов роста. По механизму действия синтетические регуляторы роста растений можно разделить на пять групп:

1) препараты, связанные с метаболизмом ауксинов и реализацией их физиологической активности (аналоги ауксинов, ингибиторы транспорта ауксинов). Структурная и биохимическая общность природных и синтетических ауксинов заключается в том, что их молекулы состоят из системы ароматических колец, к которой через метиленовую или диметиленовую группу присоединена полярная группа, представленная карбоксилом, амидной группой, нитрилом и гидроксилом;

2) вещества, связанные с метаболизмом и реализацией физиологической активности гиббереллинов (аналоги гиббереллинов, ингибиторы биосинтеза гиббереллинов);

3) препараты, связанные с обменом этилена;

4) цитокининподобные соединения;

5) активаторы и ингибиторы метаболизма (стимуляторы дыхания, фотосинтеза, ингибиторы синтеза каротиноидов, хлорофилла).

3. Аналоги и антогонисты ауксинов. Среди регуляторных соединений, влияющих на ауксины, наиболее широкое применение нашли синтеические аналоги этих фитогормонов, используемых для стимулирования корнеобразования: ИУК, ИМК (ин6долил-3-масляная кислота), 1-НУК (1-нафтилуксусная кислта), ее соли и амид.э эти соединения используются при вегетативном размножении растений методом череноквания в биотехнологическом процессе и классическом растениеводстве. Обработку проводят путем введения прерарата в питательную среду в концентрациях от 14 до 10 мг/л путем кратковременного погружения базального конца черенка в спиртовой раствор препарата концентрацией около 200 мг/л. Также путем 12-24-часовым замачиванием черенков в водном растворе концентрацией 25-50 мг/л. Все эти соединения малотоксичны и экологически безопасны.

НУК и ее соли, а также 2-(2,4-дихлорфенокси)пропионовая кислота (2,4-ДП) и этиловый эфир 5-хлор-3-индазол-3-уксусной кислоты (этихлозат или фигарон) применяют против предуборочного опадения некоторых плодовых и субтрапических кульутр. Эти же препараты на более ранних стадиях развития растений используют с противоположной целью – для стимулирования опадения избыточных цветков или завязей, что обеспечивает получение более качественной продукции и в ряде случаев сглаживает периодичность плооношения.

2-Нафтоксиуксусная кислота (НОУК), ее соли и этиловый эфир (коммерческое название – уетин) применяют в качестве средств улучшения плодообразования у томатов, ананса, винограда, земляники.

Среди аналого ауксина особое место занимает группа фенилпроизводных соединений: 2,4-дихлорфенокисуксусная кислота (2,4-Д), 4-хлорфеноксиуксусная кислота (4-Х), 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная кислрта (2,4,5-Т) и 2-(2,4,5-трихлорфенокис)проипионовая кислота (2,4,5-ТП). Все эти соединения обладают очень высокой ауксиновой активностью в ходе активации протонной помпы. Поэтому эти препараты обуславилвиают процессы тропизмов, растяжения клеток, деффиринцировки. В малых концентрациях (0,52-2,0 мг/л) указанные векщества применяют при получении каллусной ткани, а в больших – как гербициды. Действие гепрбицидов основано на необратимой разбалансировке гормональной системы растений. Токсичность аналогов ауксинов данной группы несколько выше, чем у представителей других групп. Но они пердставляют существенную экологическую безопасность из-за мощного мутагенного воздействия.

Применяя регуляторы роста ауксиновго тпа, можно получить партенокарпические плоды у томатов, огурцов, баклажанов, стручкового перца. Для этого в начале цветения цветки опрыскивают раствором 2,4-Д или 2,4,5-Т. В настоящее время чаще используют 2-НОУК и 4-Х (40-50 мг/л). Этот прием, заменяющее ручное опыление, получил наиболее широкое распространение при выращивании томатов в теплицах и на полях, особенно при неблагоприятных условиях.

2,4-Д (5-10 мг/л) и НУК (25 мг/л) нашли широкое применение на ананасовых плантациях для ускорения перехода растений от ювенильного состояния к зацветанию и плодоношению.Формирование плодов происходит более дружно, что позволяет ввести механизированную уборку.

Известен ряд фиторегуляторов, которые являются антогонистами ауксинов. Действие их связано с блокировокй транспорта этих гормонов: морфактины, нафтиламиновая кислота и ее соли, а также 2,3,5-трийодбензойная кислота (ТИБК). Действие ТИБК выражается в нарушении апикального доминирования, что выражается в увеличении пробудимости почек и на некоторых культурах, н-р сое, способное привести к значиельному повышению урожая за счет увеличения числа продуктвиности побегов.

4. Аналоги и антоггонисты цитокининов. Препараты, влияющие на уровень и активность цитокининов в растениях, в настоящее время меньше применяются и, соответственно, хуже изучены, чем фиторегуляторы ауксинового действия. Однако в полседнее время интерес к цитокининовым препаратам резко возрос в связи с устанвлением их антистрессового эффекта. Этим свойством обладают близкие синтетические аналоги цитокининов ряда зеатина (кинетин, 6-бензилоаминопурин) и весьма отдаленные (картолины). В меньшей степени антистрессовым свойством обладает аналог цитокининового ряда дифенилмочевины – дропп (тидиазурон).

В биотехнологи растений аналоги цитокининов применяют для активации деления клеток при получении каллусных тканей, индукции дифференцирования побегов в каллусе, а также для сниятия апикального доминирования и повышения коэффициента размножения при клональном микроразмножении. особенно часто с этими целями применяют 6_БАП и кинетин.

Аналоги цитокининов, вследствие их атрагирующей способности, применяют для снятия апикального доминирования у плодовых саженцев в питомнике с целью более ранней и какчественной закладки кроны. Также применяются для увеличения размера и массы ягоды бессемянных сортов винограда. Наилучшие результаты в этх случаях достигаются при использовании аналогов цитокинина совместно с синтетическими гиббериллинами.

Препарат дропп используется как дефолиант хлопчатника. Его действие основано на стимулировании образования эндогенного этилена, который и обуславливает данный эффект.

Аналоги цитокнинов в малых объемах применя.тся и дя заержки старения срезанных зеленых овощей, сдвига пола в женскую сторогну, а таукже для прерывания состояния покоя и стимулирвоания прорастания семян.

Синтетическе цитокинины могут быть использованы для снижения апикального доминирования и получения более кустистых форм растений, для тормажения старения, повышения устойчивости растений к неблагоприятным условиям, для индукции цветения и сдвига выраженности пола в женскую сторону. Антогонисты цитокининов известны, но в практике пока не применяются и имеют лишь научную значимость.

5. Аналоги и антогонисты гиббереллинов. Аналоги гиббереллинов получают путем микробиологического синтеза из патогенного гриба – гиббереллы. Они представляют собой точные копии гиббереллинов, продуцируемых растениями. Наиболее расппостранены в промышленном прменении гиббереллины ГК₃, ГК₄, ГК₇.

Основные объемы использоыания этих веществ связаны со стимулированием роста ягод бессемянных (кишмишных) сортоыв виногада. Отсутствие семян – ценное качество этих сортов. Однако у бессемянных сортов ягоды формируются сравнительно мелкими. Опрыскивание виноградной лозы раствором гибберелловой кислоты (30г/га) во время цветения или через 5-7 дней после его окончания способствует увеличению размера ягод в 1,5-2,5 раза. Обработка гиббереллинов нашло гирокое применение и при выращивании цитрусовых. Опрыскивание апельсиновых деревьев, когда плоды еще зеленые, или погружение уже отделенных плодов в раствор гиббереллина задерживает их созревание и улучшает механические свойства кожицы.

Другим прогрессирующеим аспектом прменения гиббереллинов является снятие состояния покоя семян и клубней, что обеспечивает их лучшую всхожесть. Эти препараты используют также для сдвига пола растений в мужскую сторону.

В биотехнологии растений гиббереллины применяют для получения безвирусного посадочного материала для стимуляции деления и растяжения клеток апикальной меристемы, что создает дополнительные благоприятные условия для освобождения от вирусной инфекции.

Антагонисты гиббереллинов применяют в селськохозяйственном проивзодстве шире аналогов. Практически все антагонисты гиббереллинов обладают ретардантным действием.

6. Аналоги и антагонисты этилена. Применение аналогов этилена в растениеводстве стало возможным вследствие открыия свойств 2-хлорэтилфосфоновой кислоты (2-ХЭФК, этафон) распадаться с выделением этилена при рН>4,0. На основе 2-ХЭФК разработаны многие препараты, в частности: этрел, кампозан, флордимекс, гидрел и дигидрел, декстрел. 2-ХЭФК и прератры на ее основе практически не токсичны для теплокровных. Исключением являются гидрел и дигидрел, при синтезе которых используют несиммитричный диметилгидризин. Следовые количества этого вещества в данных препаратах обуславливает их большую токсичность и мутагенность.

Этиленпродуценты применяют для самых различных воздействий: 1) как вещество, стимулирующее образование отделительного слоя; 2) как индуктор и стимулятор состояния покоя растений и устойчивости; 3) этиленпродуценты используются для ускорения созревания плодов; 4) повышения выхода латекса из каучуконосов; 5) как индуктор зацветания ананасов.

Плоды многих культур, н-р томатов, в средних или северных районах не успевают достичь полной зрелости из-за похолодания. С другой стороны многие плоды (груши, бананы, томаты) не выдерживают длительного хранения и транспортировке в зрелом состоянии, и поэтому их собирают незрелыми. С давних времен для этих целей использовали окуривание дымом. Действующим началом в продуктах неполного сгорания являются оксид углерода и этилен. В настоящее время закончивавшие, зеленые плоды помещают при температруе 20-22 С в замкнутоые камеры, в которые периодически подается этилениз расчета 0,2-1 л на 1 м³ в заивсимости от вида плодов. Помидоры при этом созревают не за 10-12 сут, как обычно, а за 5-6 суток, лимоны и апельсины достигают полной зрелости за 5-6 суток вместо 20-25 суток.

Недостатком этилена является его высокая летучесть. Создание этрела и ругих прнепрартов на его основе позволило разработать более эффективные приемы. Однако при работе с 2-ХЭФК следует иметь в виду ее высокую коррозионную активность, а также зависимость выделения этилена от температуры и гаметоцидное действие высоких концентраций этилена для некоторых зерновых кульутр. При высокой температуре выделение этилена выше, что может привести к таким нежелательным процессам, как сброс завязи и листьев, а на зерновых – к пустозерности. В связи с этим, обработку растений прераратами на основе 2-ХЭФК следует проводить в прохладное время суток.

Известны и другие этиленвыделяющие соединения, используемые для облегчения механизированной уборки. В последнее время разработан ряд этиленпродуцентов на основе кремнийорганики, наиболее перспективным из которых является ситрел. Он практически лишен недостатков, присущих для 2-ХЭФК и менее токсичен для теплокровных организмов.

Иногда необходимо снизить уровень эндогенного этилена в растении. В частности, это необходимо для предотвращениясброса завязип на ряде плодовых кульутр, а также при некоторых биотехнологических операциях. Для этого используют вещества, блокирующие биосинтез этилена, к ним отностся серебро, аминоуксусная кислота, ризобиотоксин и аминоэтоксивинилглицин. Однако из-за высокой стоимости прераты не получили широкого распространения.

7. Аналоги и антогонисты абсцизовой кислоты. Структурные аналоги абсцизовой кислоты, обладающие физиолгической активностью, не применяются в сельском хозяйстве из-за высокой стоимости. Однако уровень этого фитогормона можно повысить, активировав его образование в растении. В качестве индуктора и стимулятора образования абсцизовой кислоты выступает другой фитогормон – этилен и его продуценты.

Увеличение уровня абсцизовой кислоты представляет интерес в связи с индукцией этим фитогормоном синтеза стрессовых белков, ответственных за связывание воды. Кроме этого этот гормон обладет антитранспирационным действием, а также способностью стимулировать состояние покоя, что обеспечивает сокращение потреь растениеводческой продукции при хранении.

Лекция 7-8 Новые группы фитогормонов.

1. История открытия и химическая природа брассиностероидов

2. Физиологическое действие БС

3. Жасмоновая кислота и ее физиологическое действие

4. Салициловая кислота и ее физиологическое действие

5. Новейшие достижения в области изучения групп фитогормонов

1. История открытия и химическая природа БС. Долгое время считалось, что процессы роста и развития растений контролируются 5 группами фитогормонов. Однако многочисленные данные, накопленные к середине 60-х – началу 740-х гг, свидетельствовали о наличии в растениях веществ неустановленной химической природы, обладающих регуляторным действием. Предпринятые в то время попытки выделить и идентифицировать эти вещества оказались неудачными из-за крайне низкого содержания их в растениях. Так японскими учеными из экстракта свежих листьев Distylium racemosum были выделены и частично охарактеризованы активные компоненты, которые по ростстимулирующему действию превосходили ИУК. Этот компонент был назван дистиллиевым фактором.

Однако, низкая концентрация вещества в исследуемом материале (ниже 10^-6 %) и недостаточное их количество, полученное в процессе очистки (менее 1 мг), не позволили провести идентификацию.

В 1970 г Мишель с сотр. Из пыльцы рапса и ольхи методом тонкослойной хроматографии экстракта была выделена маслообразная фракция. При нанесении ее на растение в количестве 10 мг она эффективно стимулировала рост фасоли. Но действие этой фракции отличалось от действия гиббереллина.

Тщательный хроматографический и спектральный анализ фракции показали, что она включает несколько компонентов. Авторы предположили, что обнаруженные вещества неустановленной химической природы составляют новую группу фитогормонов, которые назвали брассинами (от названия одного из источников). Позднее было показано, что вещества с подобной активностью содержатся также в других растениях.

Выделить один из гормонов в чистом виде удалось только в 1979 г: из 40 кг пыльцы рапса, собранной пчелами, было выделено 4 мг кристаллического вещества, названного брассинолидом. Вслед за открытием брассинолида из различных растительных источников был выделен ряд других представителей брассиностероидов, отличающихся друг от друга структурой и уровнем биологической активности

К настоящему времени известно более 60 БС: из каштана настоящего был выделен кастастерон, из рогоза – тифастерол, из чая – теастерон, из катарантуса – катастерон. Для большинства брассиностероидов характерен тот же набор заместителей в стероидном скелете и боковой цепи, что и для брассинолида. С химической точки брассиностероиды родственны гормонам линьки насекомых – экдистероидам. Т.обр., БС – единственные гормоны стероидной природы. Низкое содержание брассиностероидов в растениях обуславливает исключительную роль химического синтеза как основного источника этих фитогормонов для всестороннего изучения и практического использования. Первым брассиностероидом, полученным синтетическим путем, стал эпибрассинолид, абсолютно идентичный природному растительному гормону.

Процессы биосинтеза и транспорта брассиностероидов слабо изучены. Известно, что малые концентрации этих фитогормонов содержат ткани цветка, листья и молодые стебли растений. Максимальная концентрация брассиностероидов отмечена в пыльце, из которой они и были впервые выделены.

2. Физиологическое действие БС. Физиологическое действие БС близко к действию других гормонов. 1) Подобно ауксину, БС стимулируют растяжение клеток; 2) подобно гиббереллину – усиливают ростовые процессы целого растения; 3) подобно цитокинину – стимулируют рост изолированных семядолей огурца; 4) ускоряют созревание плодов, что придает им сходство с этиленом. Т.обр., БС обладают способностью контролировать действие ауксинов, гиббереллинов, АБК и этилена.

5) Специфическое действие БС – регуляция роста семяпочки. Ничтожно малое количество БС, попадая с пыльцой в семяпочку, стимулирует ее развитие и образование семян.

6) БС стимулируют устойчивость растений к стрессам и грибным заболеваниям. Причина такого действия скорее всего связано с повышением образования стрессовых белков, а также фитоалексиенов и других компонентов системы фитоиммунитета.

3. Жасмоновая кислота и ее физиологическое действие. Сообщения о жасмоновой кислоте (ЖК) как о фитогормоне появились недавно. К жасмонатам относят жасминовую кислоту и ее эфиры, н-р, метилжасмонат. Жасмонаты синтезируются из линоленовой кислоты, и представляют собой циклопентаноны. Поэтому они являются аналогами протагалндинов – гормонов млекопитающих, которые также синтезируются из жирных кислот.

Содержание жасмонатов в тканях растений отличаются на разных этапах развития, и являются ответом на стимулы внешней среды. Высокие уровни жасмонатов обнаружены в цветках и тканях перикарпа, а также в хлоропластах на свету. Уровни жасмонатов быстро возрастают в ответ на механические помехи, н-р, при закручивании усиков и при возникновении повреждения, при изменении тургорного давления в ходе водного дефицита, при взаимодействии корневых волосков с частицами почвы.

Роль жасмонатов в системе фитогормональной регуляции не вполне ясна, однако известно, сто это вещество обладает мощным ингибиторным действием: 1) ЖК и метилжасмонат ингибируют прорастание неспящих семян и вызывают прорастание спящих семян; 2) высокие уровни ЖК стимулируют накопление запасных белков и тем самым, оказывают влияние на формирование клубней; 3) экзогенное использование ЖК может вызывать хлороз и ингибировать гены, продукты которых участвуют в фотосинтезе.

4) Большое количество ЖК накапливается в цветках и плодах, однако значение этого факта не известно. Однако, накопление ЖК может быть связано с созреванием плодов и накоплением каратиноидов.

5)Наиболее важной функцией ЖК является ее участие в ответных реакциях при повреждении растений насекомыми и патогенами. Поврежденные ткани отличаются очень высокой концентрацией этого фитогормона, что резко повышает устойчивость растений к вредщителям. Повышение содержание жасмоната активирует экспрессию целого каскада генов, которые кодируют:

- белки, формирующие механические барьеры в клеточной стенке на пути инфекции;

- ферменты, участвующие в синтезе фитоалексинов;

- ингибиторы протеаз, обеспечивающие защиту растений от повреждений насекомыми;

- белки, обладающие фунгицидной активностью – тиони, осмотин и др.

Как и в случае ауксинов, система рецепции ЖК действует через убиквитин. Соединение жасмоната с остатком изолейцина приводит к деградации ДЖАЗ-белка, меченного убиквитином и освобождению др. факторов транскрипции.

4. Салициловая кислота и ее физиологическое действие. Первое сообщение о гормональном действии салициловой кислоты появилось в 1988 г., когда был установлен эффект повышения температуры пробивающего снег крокуса. Было выявлено, что этот процесс контролируется салициловой кислотой. Салициловая кислота синтезируется из бензойной кислоты. Эта реакция католизируется 2-гидроксилазой бензойной кислоты, которая использует кислород для гидроксилирования бензойной кислоты.

СК может образовывать метиловый эфир и (или) связываться с глюкозой под действием глюкозилтранферазы. Метилсалицилат является летучим соединением и легко превращается в тканях-мишениях в СК.

Физиологическое значение СК: 1) блокирует биосинтез этилена на уровне NO; 2) индуцирует зацветание короткодневного растения, находящегося в условиях короткого дня; 3) СК активирует экспрессию генов (SAR-генов). Продуктами некоторых SAR-генов являются PR-белки, которые образуются в реакциях сверхчувствительности.

4) Салициловой кислоте принадлежит ключевая роль в формировании приобретенного иммунитета. Длительность приобретенного иммунитета – от нескольких недель до нескольких месяцев. Когда растение подвергается инфекции в одном месте, часто происходит формирование устойчивости к последующему нападению во всех тканях и органах организма. Это явление названо системной приобретенной устойчивостью или системным приобретенным иммунитетом.

Внешне формирование приобретенного иммунитета выглядит как реакция сверхчувствительности, только скорость ее гораздо выше. Основным условием для приобретения системного иммунитета является возникновение некроза. Приобретенный иммунитет выражается в повышении содержания таких защитных соединений, как фитоалексины, лигнин, хитиназа и др. гидролитических ферментов. Важным свойством системного иммунитета является его быстрота. При повторных заражениях некрозы появляются гораздо быстрее, чем при первичном. Еще одна особенность приобретенного иммунитета (в отличие от сверхчувствительной реакции) заключается в его неспецифичности, то есть у растений формируется устойчивость к повторному повреждению всеми группами патогенов и фитофагов. Т.е.процесс иммунизации растительных тканей неспецифичен в отношении патогенна.

Заражение растений патогенном индуцирует накопление СК как в инфицированных, так и в неинфицированных тканях. Обработка салициловой кислотой и ее аналогами активирует PR-гены и устойчивость растений без инокуляции патогенами. НЕ накапливающие салицилат мутантные растения не способны к приобретенному иммунитету.

5. Пептидные гормоны растений. В настоящее время выделены и охарактеризованы короткие пептиды, которые играют важную сигнальную роль у растений. Они синтезируются в клетках в виде более крупных белков-предшественников, а затем в результате протеолитических реакций происходит созревание коротких пептидов. Они выходят из клетки в апопласт и оказывают физиологическое действие на другие клетки.

Один из первых коротких пептидов с сигнальной функцией был выделен из томатов. Он отвечал за системный ответ на механическое повреждение и проникновение патогенов в растение: индуцировал синтез ингибиторов протеиназ и фитоалексинов. В результате иммунный ответ наблюдается не только в месте повреждения, но и все растение в целом становится устойчивым к инфекциям (системная устойчивость). Отвечающий за системную устойчивость короткий пептид, содержащий 18 аминокислот, был назван системином.

Контроль за синтезом системина осуществляет жасмоновая кислота. Системин сначала синтезируется в виде предшественникадлиной в 200 аминокислотных остатков. У томатов был также обнаружен рецептор, связывающийся с системином – белок размером 160 кДа. Системин оказался специфичным для томата и картофеля, но не вызывал системного ответа у табака. В дальнейшем из табака был выделен системин, не похожий на томатный.

Из суспензионной культутры аспарагуса был выделен еще более короткий пептид (всего 4-5 аминокислот), в состав которого входил сульфатированный тирозин. Добавление этого пептида вызывало увеличение скорости деления клеток in vitro, повышало митотический индекс. Этот пептид был назван фитосульфаксином. Он обнаруживается в местах активного деления клеток, способствуя органогенезу (образование листьев, боковых корней). По-видимому, фитосульфаксин достаточно универсальный короткий пептид – он вызывал деление клеток не только у аспарагуса, но и у риса и других неродственных растений.

Другие обнаруженные короткие пептиды регулируют достаточно специфичные функции в растениях. Так, пептид Clavata3, содержащий 78 аминокислот, синтезируется в верхних слоях центральной зоны меристемы. Он необходим для регуляции размера апикальной меристемы побега у арабидопсиса. Этот пептид связывается с белком-рецептором Clavata1, причем рецептор сосредоточен в покоящемся центре меристемы.

Короткий пептид Clavata3 служит сигналом о количестве делящихся клеток в центральной зоне меристемы: высокая концентрация «говорит» покоящемуся центру о том, что делящихся клеток много, а низкая, что их мало. Покоящийся центр посылает обратно наверх сигнальные молекул, стимулирующие (ингибирующие) клеточные деления.

Интенсивное взаимодействие короткого пептида Clavata3 с Clavata1 означает, что число делящихся клеток чрезмерно велико. Тогда из покоящегося центра в центральную зону меристемы направляется сигнал, уменьшающий число делящихся клеток. Вместе с этим падает концентрация короткого пептида Clavata3, а это в свою очередь приводит к тому, что покоящийся центр стимулирует деление клеток в центральной зоне. При мутации в гене рецептора (Clavata1), так и в гене короткого пептида (Clavata3), меристема становится очень крупной (число клеток может оказаться в 1000 раз больше, чем у дикого типа). Это приводит к фисциации – стебель становится плоским, расположение листьев нарушается.

Короткий пептид SCR из 53-57 аминокислот выделяется прорастающим пыльцевым зерном у капусты. Для каждой линии капусты характерен свой особый вариант SCR-пептида. Рецепторы к SCR-пептиду находятся в тканях рыльца, и при узнавании развитие пыльцевой трубки останавливается. Таким образом капуста избегает самоопыления.

6. Олигосахариды. В настоящее время имеются многочисленные экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что некоторые олигосахариды обладают регуляторным действие на растение. Эти олигосахариды образуются при частичном гидролизе клеточных стенок растений, грибов и насекомых. Их действие проявляется в повышении устойчивости растений к вредным организмам за счет активации системы фитоиммунитета. Отмечено, что увеличение уровня олигосахаридов способствует усилению образованию этилена в растениях. Однако, до последнего времени остается открытым вопрос о том, оказывают ли олигосахариды действие непосредственно активируя собственную систему ответа, или же индуцируемые ими эффекты связаны с увеличением биосинтеза этилена.

7. Ингибитор цветения BEND. В конце 80-ых гг. 20 в. большой интерес ученых всего мира вызвало открытие ингибитора зацветания – BEND. Он представляет собой линейную молекулу липида с 18 углердными атомами и несколькими ненасыщенными связями. Это вещество синтезируется у длиннодневных и короткодневных растений в условиях неиндукционного фотопериода и быстро метаболизируется при переносе растений в индуктивные условия. Имеющиеся экспериментальные данные позволяют утверждать, что BEND способен играть значительную роль в переходе растений к формированию репродуктивных органов.

8. Фузикокцины – стероидное вещество, ранее известное лишь как продуцент жизнедеятельности грибов. В настоящее время известно, что оно синтезируется у высших растений, регулирует ростовые процессы и является фитогормоном. Важнейшие эффекты фузикокцина:

1) стимуляция растяжения клеток; 2) усиление транспирации, 3) открывание устьиц в темноте; 4) выведение семян из состояние покоя, ускорение их прорастания.

Лекция № 8-9 Синтетические регуляторы роста и развития растений

1. Механизм действия синтетических регуляторов роста

2. Классификация синтетических регуляторов роста

3. Аналоги и антогонисты ауксинов

4. Аналоги и антоггонисты цитокининов

5. Аналоги и антогонисты гиббереллинов

6. Аналоги и антагонисты этилена.

7. Аналоги и антогонисты абсцизовой кислоты.

1. Механизм действия синтетических регуляторов роста. Фиторегулятором называют природное или синтетическое вещество, способное вызывать ростовые или формативные эффекты и не являющиеся в применяемых концентрациях источником питания или фитотоксином. Т.обр., любое вещество, влияющее на рост и развитие растений, если оно не влияет на рост растений как удобрение и не угнетает его как гербицид, является фиторегулятором.

Первые работы, связанные с практическим использованием физиологически активных веществ, были проведены с этиленом. В 1924 г. Американский физиолог Ф. Денни показал, что этилен ускоряет созревание лимонов.

Во второй половине 30-х годов 20 в. Ф. Густавсон установил, что ауксин способен индуцировать образование партенокарпических плодов, а П. Циммерман и А. Хитчкок нашли, что при опрыскивании растений этим веществом на стеблях и даже плодах могут появляться корни. Затем была обнаружена сильная физиологическая активность у таких синтетических соединений, как 2-НОУК(1938 г.) и 2,4-Д(1941 г.) [28].

В настоящее время известно более 5 тыс. соединений, имеющих высокую физиологическую активность в отношении роста и развития растений, из них на практике применяется около 50-60. Регуляторы роста в поcледнее время приобретают всю большую популярность: 1) они способствуют росту урожайности различных сельскогхозяйственных культур, 2) обеспечивая качество сельхозпродукции, 3) эти препараты в садоводстве, виноградоводстве, овощеводстве применяются для ускорения при размножении.

Физиологическая активность большинства фиторегуляторов обусловлена их способностью влиять на какой-то компонент фитогормональной системы. Это достигается за счет ряда причин: 1) повышение уровня фитрогормона при введении извне его аналога; 2) воздействия на биосинтез фитогормона (стимулирование или подавление); 3) блокирование транспорта фитогормона; 4) воздействия на систему инактивации фитогормона (стимулирование или подавление); 5) конкуренции за присоединение к рецептору фитогормона; 6) инактивации фитогормонрецепторного комплекса.

Любые биологически активные вещства, регуляторы роста требуют осторожного обращения с ними. Передозировка этих соединений опасна: можно не только не получить ожидаемого эффекта, но и столкнуться с прямопротивоположным результатом.

Для успешного практического применения всех фитогормонов или их синтетических заменителей необходимо соблюдение определенных основных условий:

- Фитогормоны оказывают влияние лишь тогда, когда в растении их недостает. Это чаще всего наблюдается в особые, переломные моменты жизни растительного организма (прорастание семян, цветение, образование плодов), а также когда нарушена целостность растительного организма (черенки, изолированные ткани). В некоторых случаях условия внешней среды препятствуют образованию гормонов, тогда этот недостаток может быть восполнен их экзогенным внесением.

- Клетки, ткани, органы должны быть компетентны (восприимчивы) к фитогормонам. Компетенция связана с общим состоянием внутриклеточных процессов. Клетка может быть на одной фазе роста компетентна к внесению данного фитогормона, а на другой – нет.

- Необходимо достаточное снабжение растения водой и питательными веществами.

- Действие всех гормонов зависит от концентрации. Повышенная концентрация сверх определенного уровня вызывает не стимуляцию, а резкое торможение роста и даже гибель растений.

- Эндогенные (естественные) фитогормоны локализованы в отдельных компартментах (отсеках) клетки. При внесении извне распределение гормонов будет иным. В этой связи экзогенное внесение не может полностью заменить гормоны, образовавшиеся при естественном метаболизме.

2. Классификация синтетических регуляторов роста. По механизму действия синтетические регуляторы роста растений можно разделить на пять групп:

1) препараты, связанные с метаболизмом ауксинов и реализацией их физиологической активности (аналоги ауксинов, ингибиторы транспорта ауксинов). Структурная и биохимическая общность природных и синтетических ауксинов заключается в том, что их молекулы состоят из системы ароматических колец, к которой через метиленовую или диметиленовую группу присоединена полярная группа, представленная карбоксилом, амидной группой, нитрилом и гидроксилом;

2) вещества, связанные с метаболизмом и реализацией физиологической активности гиббереллинов (аналоги гиббереллинов, ингибиторы биосинтеза гиббереллинов);

3) препараты, связанные с обменом этилена;

4) цитокининподобные соединения;

5) активаторы и ингибиторы метаболизма (стимуляторы дыхания, фотосинтеза, ингибиторы синтеза каротиноидов, хлорофилла).

3. Аналоги и антогонисты ауксинов. Среди регуляторных соединений, влияющих на ауксины, наиболее широкое применение нашли синтеические аналоги этих фитогормонов, используемых для стимулирования корнеобразования: ИУК, ИМК (ин6долил-3-масляная кислота), 1-НУК (1-нафтилуксусная кислта), ее соли и амид.э эти соединения используются при вегетативном размножении растений методом череноквания в биотехнологическом процессе и классическом растениеводстве. Обработку проводят путем введения прерарата в питательную среду в концентрациях от 14 до 10 мг/л путем кратковременного погружения базального конца черенка в спиртовой раствор препарата концентрацией около 200 мг/л. Также путем 12-24-часовым замачиванием черенков в водном растворе концентрацией 25-50 мг/л. Все эти соединения малотоксичны и экологически безопасны.

НУК и ее соли, а также 2-(2,4-дихлорфенокси)пропионовая кислота (2,4-ДП) и этиловый эфир 5-хлор-3-индазол-3-уксусной кислоты (этихлозат или фигарон) применяют против предуборочного опадения некоторых плодовых и субтрапических кульутр. Эти же препараты на более ранних стадиях развития растений используют с противоположной целью – для стимулирования опадения избыточных цветков или завязей, что обеспечивает получение более качественной продукции и в ряде случаев сглаживает периодичность плооношения.

2-Нафтоксиуксусная кислота (НОУК), ее соли и этиловый эфир (коммерческое название – уетин) применяют в качестве средств улучшения плодообразования у томатов, ананса, винограда, земляники.

Среди аналого ауксина особое место занимает группа фенилпроизводных соединений: 2,4-дихлорфенокисуксусная кислота (2,4-Д), 4-хлорфеноксиуксусная кислота (4-Х), 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная кислрта (2,4,5-Т) и 2-(2,4,5-трихлорфенокис)проипионовая кислота (2,4,5-ТП). Все эти соединения обладают очень высокой ауксиновой активностью в ходе активации протонной помпы. Поэтому эти препараты обуславилвиают процессы тропизмов, растяжения клеток, деффиринцировки. В малых концентрациях (0,52-2,0 мг/л) указанные векщества применяют при получении каллусной ткани, а в больших – как гербициды. Действие гепрбицидов основано на необратимой разбалансировке гормональной системы растений. Токсичность аналогов ауксинов данной группы несколько выше, чем у представителей других групп. Но они пердставляют существенную экологическую безопасность из-за мощного мутагенного воздействия.

Применяя регуляторы роста ауксиновго тпа, можно получить партенокарпические плоды у томатов, огурцов, баклажанов, стручкового перца. Для этого в начале цветения цветки опрыскивают раствором 2,4-Д или 2,4,5-Т. В настоящее время чаще используют 2-НОУК и 4-Х (40-50 мг/л). Этот прием, заменяющее ручное опыление, получил наиболее широкое распространение при выращивании томатов в теплицах и на полях, особенно при неблагоприятных условиях.

2,4-Д (5-10 мг/л) и НУК (25 мг/л) нашли широкое применение на ананасовых плантациях для ускорения перехода растений от ювенильного состояния к зацветанию и плодоношению.Формирование плодов происходит более дружно, что позволяет ввести механизированную уборку.

Известен ряд фиторегуляторов, которые являются антогонистами ауксинов. Действие их связано с блокировокй транспорта этих гормонов: морфактины, нафтиламиновая кислота и ее соли, а также 2,3,5-трийодбензойная кислота (ТИБК). Действие ТИБК выражается в нарушении апикального доминирования, что выражается в увеличении пробудимости почек и на некоторых культурах, н-р сое, способное привести к значиельному повышению урожая за счет увеличения числа продуктвиности побегов.

4. Аналоги и антоггонисты цитокининов. Препараты, влияющие на уровень и активность цитокининов в растениях, в настоящее время меньше применяются и, соответственно, хуже изучены, чем фиторегуляторы ауксинового действия. Однако в полседнее время интерес к цитокининовым препаратам резко возрос в связи с устанвлением их антистрессового эффекта. Этим свойством обладают близкие синтетические аналоги цитокининов ряда зеатина (кинетин, 6-бензилоаминопурин) и весьма отдаленные (картолины). В меньшей степени антистрессовым свойством обладает аналог цитокининового ряда дифенилмочевины – дропп (тидиазурон).

В биотехнологи растений аналоги цитокининов применяют для активации деления клеток при получении каллусных тканей, индукции дифференцирования побегов в каллусе, а также для сниятия апикального доминирования и повышения коэффициента размножения при клональном микроразмножении. особенно часто с этими целями применяют 6_БАП и кинетин.

Аналоги цитокининов, вследствие их атрагирующей способности, применяют для снятия апикального доминирования у плодовых саженцев в питомнике с целью более ранней и какчественной закладки кроны. Также применяются для увеличения размера и массы ягоды бессемянных сортов винограда. Наилучшие результаты в этх случаях достигаются при использовании аналогов цитокинина совместно с синтетическими гиббериллинами.

Препарат дропп используется как дефолиант хлопчатника. Его действие основано на стимулировании образования эндогенного этилена, который и обуславливает данный эффект.

Аналоги цитокнинов в малых объемах применя.тся и дя заержки старения срезанных зеленых овощей, сдвига пола в женскую сторогну, а таукже для прерывания состояния покоя и стимулирвоания прорастания семян.

Синтетическе цитокинины могут быть использованы для снижения апикального доминирования и получения более кустистых форм растений, для тормажения старения, повышения устойчивости растений к неблагоприятным условиям, для индукции цветения и сдвига выраженности пола в женскую сторону. Антогонисты цитокининов известны, но в практике пока не применяются и имеют лишь научную значимость.

5. Аналоги и антогонисты гиббереллинов. Аналоги гиббереллинов получают путем микробиологического синтеза из патогенного гриба – гиббереллы. Они представляют собой точные копии гиббереллинов, продуцируемых растениями. Наиболее расппостранены в промышленном прменении гиббереллины ГК₃, ГК₄, ГК₇.

Основные объемы использоыания этих веществ связаны со стимулированием роста ягод бессемянных (кишмишных) сортоыв виногада. Отсутствие семян – ценное качество этих сортов. Однако у бессемянных сортов ягоды формируются сравнительно мелкими. Опрыскивание виноградной лозы раствором гибберелловой кислоты (30г/га) во время цветения или через 5-7 дней после его окончания способствует увеличению размера ягод в 1,5-2,5 раза. Обработка гиббереллинов нашло гирокое применение и при выращивании цитрусовых. Опрыскивание апельсиновых деревьев, когда плоды еще зеленые, или погружение уже отделенных плодов в раствор гиббереллина задерживает их созревание и улучшает механические свойства кожицы.

Другим прогрессирующеим аспектом прменения гиббереллинов является снятие состояния покоя семян и клубней, что обеспечивает их лучшую всхожесть. Эти препараты используют также для сдвига пола растений в мужскую сторону.

В биотехнологии растений гиббереллины применяют для получения безвирусного посадочного материала для стимуляции деления и растяжения клеток апикальной меристемы, что создает дополнительные благоприятные условия для освобождения от вирусной инфекции.

Антагонисты гиббереллинов применяют в селськохозяйственном проивзодстве шире аналогов. Практически все антагонисты гиббереллинов обладают ретардантным действием.

6. Аналоги и антагонисты этилена. Применение аналогов этилена в растениеводстве стало возможным вследствие открыия свойств 2-хлорэтилфосфоновой кислоты (2-ХЭФК, этафон) распадаться с выделением этилена при рН>4,0. На основе 2-ХЭФК разработаны многие препараты, в частности: этрел, кампозан, флордимекс, гидрел и дигидрел, декстрел. 2-ХЭФК и прератры на ее основе практически не токсичны для теплокровных. Исключением являются гидрел и дигидрел, при синтезе которых используют несиммитричный диметилгидризин. Следовые количества этого вещества в данных препаратах обуславливает их большую токсичность и мутагенность.

Этиленпродуценты применяют для самых различных воздействий: 1) как вещество, стимулирующее образование отделительного слоя; 2) как индуктор и стимулятор состояния покоя растений и устойчивости; 3) этиленпродуценты используются для ускорения созревания плодов; 4) повышения выхода латекса из каучуконосов; 5) как индуктор зацветания ананасов.

Плоды многих культур, н-р томатов, в средних или северных районах не успевают достичь полной зрелости из-за похолодания. С другой стороны многие плоды (груши, бананы, томаты) не выдерживают длительного хранения и транспортировке в зрелом состоянии, и поэтому их собирают незрелыми. С давних времен для этих целей использовали окуривание дымом. Действующим началом в продуктах неполного сгорания являются оксид углерода и этилен. В настоящее время закончивавшие, зеленые плоды помещают при температруе 20-22 С в замкнутоые камеры, в которые периодически подается этилениз расчета 0,2-1 л на 1 м³ в заивсимости от вида плодов. Помидоры при этом созревают не за 10-12 сут, как обычно, а за 5-6 суток, лимоны и апельсины достигают полной зрелости за 5-6 суток вместо 20-25 суток.

Недостатком этилена является его высокая летучесть. Создание этрела и ругих прнепрартов на его основе позволило разработать более эффективные приемы. Однако при работе с 2-ХЭФК следует иметь в виду ее высокую коррозионную активность, а также зависимость выделения этилена от температуры и гаметоцидное действие высоких концентраций этилена для некоторых зерновых кульутр. При высокой температуре выделение этилена выше, что может привести к таким нежелательным процессам, как сброс завязи и листьев, а на зерновых – к пустозерности. В связи с этим, обработку растений прераратами на основе 2-ХЭФК следует проводить в прохладное время суток.

Известны и другие этиленвыделяющие соединения, используемые для облегчения механизированной уборки. В последнее время разработан ряд этиленпродуцентов на основе кремнийорганики, наиболее перспективным из которых является ситрел. Он практически лишен недостатков, присущих для 2-ХЭФК и менее токсичен для теплокровных организмов.

Иногда необходимо снизить уровень эндогенного этилена в растении. В частности, это необходимо для предотвращениясброса завязип на ряде плодовых кульутр, а также при некоторых биотехнологических операциях. Для этого используют вещества, блокирующие биосинтез этилена, к ним отностся серебро, аминоуксусная кислота, ризобиотоксин и аминоэтоксивинилглицин. Однако из-за высокой стоимости прераты не получили широкого распространения.

7. Аналоги и антогонисты абсцизовой кислоты. Структурные аналоги абсцизовой кислоты, обладающие физиолгической активностью, не применяются в сельском хозяйстве из-за высокой стоимости. Однако уровень этого фитогормона можно повысить, активировав его образование в растении. В качестве индуктора и стимулятора образования абсцизовой кислоты выступает другой фитогормон – этилен и его продуценты.

Увеличение уровня абсцизовой кислоты представляет интерес в связи с индукцией этим фитогормоном синтеза стрессовых белков, ответственных за связывание воды. Кроме этого этот гормон обладет антитранспирационным действием, а также способностью стимулировать состояние покоя, что обеспечивает сокращение потреь растениеводческой продукции при хранении.

Лекция № 10 Фитогормоны и регуляторы роста в биотехнологии растений

1. Корнеобразование.

2. Побегообразование

3. Гормональная регуляция каллусообразования

4. Регуляторная подготовка материнских растений

5. Получение трансгенных растений с измененным гормональным статусом.

6. Применение фиторегуляторов в биотехнологии переработки растительной продукции. Биотехнологические методы получения фитогормонов и фиторегуляторов

Общие вопросы регуляции органогенеза. Фиторегуляторы занимают особое место в арсенале средств биотехнологии растений, так как являются главными инструментами, позволяющими управлять процессами каллусообразования, дифференцировки, роста и развития растений-регенерантов.

В 1880 г Ю.Сакс предсказал наличие регуляторных веществ, ответственных за дифференцировку и рназвитие основных органов растения – корня, стебля и листа, назвав их соответственно ризоколином, кауликолином и фолиоколином. Дальнейшим развитием этого предположения стала теория флоригена, предложенная М.Х. Чайлохяном.

В связи с развитием биотехнологии с/х растений значимость сведений о фитогормональной регуляци органогенеза постоянно возрастает, т.к, именно фитогормоны являются основным инструментом при различных манипуляциях с культурами клеток и тканей растений.

1. Корнеобразование. Искусственное укоренение побега, листа или стебля широко применялось в растениеводстве во все времена. Однако это путь размножения был пригоден далеко не для всех случаев. Он тудоемок и дорог. Лишь с открытием ауксина в начале 30-х годов и его способности индуцировать образование адвентиавных корней и стимулировать развитие корневой системы появилась возможность массового размножения практически всех видов растений черенкованием.

В настоящее время суть данного способа размножения осталась неизменной – обработка черенков аналогом ауксина перед высадкой на укоренение. Образование адвентивного корня происходит из клеток камбия, причем строго в зоне сочленения его с сердцевинным лучом. Наиболее эффектвино этот процесс идет в период максимальной пролифирирующей активности камбиальной ткани. Формирование корня из клеток меристематической ткани детерминировано генетически. Изменение транскрипции генетических программ, приводящее к ризогенезу, контролируется ауксином. Он после взаимодействия с определенным рецептором и образования соответствующего гормон-рецепторного комплекса запускает систему ответа, приводящую к снятию репрессорной блокады с оперонов генов ферментов, изменяющих метаболизм и приводящих к корнеобразованию.

Не все синтетические аналоги ауксина обладают способностью индуцировать корнеобразование. Например, ризогенная активность ИМК и НУК (синтетических аналогов ауксина) значительно превышает тоже действие настоящего природного фитогормона – ИУК, Это связано с большей стабильностью синтетических регуляторов в клетке, обусловленной меньшим сродством их ферментативной дезактивации гормона. В то же время, другой аналог ауксина – 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д) – практически не способна вызвать ризогенез и при длительном применении этого вещества обработанная ткань утрачивает способность к корневому морфогенезу.

Корнеообразующая активность синтетических ауксинов стимулируется при совместном применении с ним витаминов (н-р, аскорбиновой кислоты). Возможно, они действуют в качестве антиоксиданта, перпятствующего деструкции ауксина.

Значительное стимулирование корнеобразования дает предварительная обработка маточных растворов ретордантами. Этот эффект показан на многих культурах: землянике, картофеле, яблоне, вишни, смородине, крыжовнике. Это может быть связано с антогонизмом между ауксином и гиббреллином и в их влиянии на процесс корнеобразования. Реторданты, являющиеся антигиббереллинами, изменяют соотношение гормонов в растении в пользу ауксинов, стимулируя тем самым процесс ризогенеза.

2. Побегообразование. Н а каллусной кульутре практически всех растительных видов показано, что органогенез побега контролируется цитокининами. Участие цитокининов в регуляции органогенеза у недифференцированной ткани каллуса табака было впервые показано Ф. Скугом и К. Миллером. В опытах с помощью ИУК и кинетина они вызывали образование у каллуса корней и побегов.

При направленном стимулировании их формирования особое внимание следует уделять абсолютному уровню ауксинов и цитокининов в питательеной среде и соотношению этих гормонов. В ходе морфогенеза из каллуса: начавшийся корневой органогенез подавляет формирование зачатков почек и наоборот. Причем диффернциация каждого из этих органов требовала определенных концентраций обоих фитогормонов. Изменение концентраций цитокинина и ауксина в среде позволяет направлять органогенез в сторону образования корней или побегов. Так, при концентрации ауксина 2 мг/л и кинетина 0,02-0,1 мг/л происходит ризогенез, а увеличение содержания кинетина в среде до 0,5-1 мг/л при неизменной концентрации ИУК вызывает образование стеблевых почек.

Одним из частных случаев побегового органогенеза является клубнеобразование. Этот процесс блокируется ауксинами, поэтому под действием повышенных доз ауксина стимулируется корнеобразование и подавляется формирование клубней.

По мнению М.Х. Чайлохяна фитогормональная регуляция клубнеобразования осуществляется гиббереллинеами и абсцизовой кислотой (АБК) в следующей последовательности: сначала под действием гиббереллинов стимулируется образование и рост столонов, а на следующем этапе под действием АБК рост столонов прекращается. При этом они утолщаются и формируют клубень на сталоне. Обработка растений картофеля АБК существенно повышает урожайность за счет увеличения массы клубня.

3. Гормональная регуляция каллусообразования. Одним из основных этапов работы биотехнологов растений связан с получением каллусной ткани из дифференцированных тканей листа, побега, корня. Основа получения каллуса – дифференцировка растительных клеток экспланта, их возврат в меристематическое, пролиферирующее состояние. Для этого должно произойти следующее: 1) модификация тех элементов структуры клетки, которые мешают процессу деления (истоньшение толстой вторичной клеточной стенки); 2) экспрессия генов, ответственных за процесс митоза.

Каллусообразование происходит в растительном мире довольно широко. Открытые раны растений способны достаточно быстро затянуться каллусной тканью, которая затем дифференцируется. В основном каллус образуется из меристематической ткани, главным образом из камбия.

При получении каллуса in vitro часто применятеся посадка экспланта на питательную среду с высоким содержанием синтетического аналога ауксина – 2,4-Д, который стимулирует процесс дифференцировки. Механизм такого явления можно объяснить регуляторными эффектами ауксина: 1) активацией протонной помпы и связанного с ним истоньшением клеточной стенки за счет эффекта «кислого роста»; 2) индукцией синтеза ряда ферментов, которые вызывают частичный гидролиз клеточной стенки; 3) индукцией репликации ДНК. Кроме того, следует отметить, что именно 2,4-Д способен стимулировать деление клеток по способу действия цитокинина, стимулируя синтез нуклеиновых кислот.

При длительном пассировании каллусной ткани возможно ее перерождение в опухолевую. Причина этого явления заключается в приобретении способности синтезировать фитогормоны (ауксины и цитокинины), необходимые для ее деления внутри себя, а не получать их от других органов. Опухолевая ткань в культуре in vitro, не реагирующая на изменение концентрации фитогормонов во внешней среде, называется гормоннезависимой или «привыкшей».

Явление приобретенной гормоннезависомости существенно ограничивает возможности биотехнологии растений, т.к, клетки тканей, обладающие данным свойстовм, практически не способны к дифференцировке, а следовательно к регенерации целого растения. Изучение причин и механизмов приобретения гормоннезависисмости очень важно, т.к может дать ключ не только к решению проблем сельскохозяйственной биотехнологии, но и к лечению онкологических заболеваний у человека.

4. Регуляторная подготовка материнских растений. Сравнительно новым направлением фиторегуляции в биотехнологии растений является подготовка маточных растений. Впервые этот прием разработан в лаборатории ТСХА для повышения приживаемости апекальных меристем картофеля и некоторых плодовых пород при их оздаравливании и микроклональном размножении. Суть данного приема заключается в предварительной обработке материнских растений ретардантами (хлорхолинхлоридом). При этом подавляется биосинтез гиббереллинов, наблюдается некоторое сокращение осевого вегетативного роста растений. При пересадке на искусственную питательную среду такие меристемы лучше приживаются.

Улучшение приживаемости меристем, по-видимому, связано с измененим гормонального статуса в сторону подавления гиббереллинов, являющихся антагонистами ауксина при ризогенезе. Другим объяснением может стать тот факт, что при обработке маточных растений ретордантами образуется меристема более плоской формы, что обеспечивает большой контакт экспланата с питательной средой.

У этого приема кроме достоинств, есть и недостаток: повышение вероятности заражения вирусной инфекцией.

5. Получение трансгенных растений с измененным гормональным статусом. Процесс получения трансгенной растительной ткани с измененным фитогормональным статусом приоисходит в природе без вмешательства человека. В ходе эволюции у двух видов агробактерий (Agrobacterium tumifaciens, A. Rizogenes) сформировался паразитический механизм, позволяющий им синтезировать не только необходимые белки, используя генетический аппарат растения-хозяина, но и обеспечивать постоянный приток пластических веществ, дифференцировку зараженных клеток.

Основа паразитического механизма агробактерий – введение в растительную клетку плазмиды. Она встраивается в хромосомную ДНК растения. Плазмида содержит гены: 1) специфических бактериальных белков (наполина, октапина); 2) ферментов синтеза фитогормонов – ауксина и цитокинина. При этом уровень этих фитогормонов повышается, специализированная растительная клетка дедиффиринцируется и бесконечно делится, образуя галл при заражении или множество нитевидных воздушных корней.

На основе плазмид агробактерий созданы векторные системы для переноса генов в хромосомный геном растения.

В настоящее время работы в области генетической инженерии растений связаны с получением исходных форм, обладающихся устойчивостью к гербицидам, патогенам или насекомым-вредителям. В практике промышленного растениеводства возникает необходимость получить растение не только высокопродуктивное и устойчивое, но и имеющее определенный характер роста, что делает его приспособленным к погодным и агоротехническим условиям выращивания и сельскохозяйственной технике.

6. Применение фиторегуляторов в биотехнологии переработки растительной продукции. Фиторегуляторы применяются в тех отраслях производства, основой которых является культивирование растений или переработка растительной продукции – в пищевой, микробиологической и фармацевтической промышленности. Так, при получении ячменного солода часто используют обработку прорастающего зерна гиббереллином, что повышает активность α-амилазы и обеспечивает более полное использование растительного сырья.

Современные биотехнологии получения ряда важных лекарственных и микробиологических препаратов включают в себя этапы глубинного культивирования клеточных суспензий. При этом регуляторы являются необходимым компонентом питательных сред, а оптимизация их концентраций в среде способна значительно повысить выход необходимого продукта за счет изменения метаболизма.

Биотехнологические методы получения фитогормонов и фиторегуляторов. Самым оптимальным и изученнным методом получения фиторегуляторов остается метод синтеза при помощи микроорганизмов. Именно таким способм получают все гиббереллины, фузикокцин, налаживают производство АБК, производят необходимые продукты для дальнейшего синтеза брассиностероидов.

В последнее время появилось много высокоэффективных фиторегуляторов в основном общестимуляторного действия, выделенных из микроорганизмов, особенно из компонентов комплекса везикулярно-арбускулярной микоризы, а также и других симбионтов высших растений. Примером такого препарата может служить выделенный в нашей стране симбионт-2. Это соединение проявляет эффективность действия по типу ауксинов и цитокининов, а также имеет ряд особенностей, по-разному проявляющихся на той или иной культуре.

Большинстов распространенных препаратов микробиологического синтеза оказывает действие по типу витаминов, активируя ряд биохимических реакций, в результате приводящих к повышению урожайности или проявлению каких-либо других желательных признаков. К серьезным недостаткам таких препаратов относится их многокомпонентность. Именно это затрудняет выделение действующего вещества, определение токсичности компонентов регуляторной смеси, всего препарата в целом и контроль за уровнем остаточных количеств.

Лекция 11 Фитогормоны и регуляторы роста в растениеводстве.

Регуляция онтогенеза

1. Покой и способы его регуляции

2. Регуляция роста стебля

1. Покой и способы его регуляции. Состояние покоя – эволюционное приспособление к перенесению организмом неблагоприятных внешних условий. Оно сформировалось как способ переживания низкой температуры зимой. Известны и другие условия формирования состояния покоя, к наиболее значимым из которых относится засуха в полупустынях. В этих условиях сформировались растения-эфемеры с очень коротким периодом вегетации. Переход растения в состояние покоя может индуцироваться как эндогенными, так и внешними факторами, наибольшее значение из которых имеет изменение длины дня.

В состояние покоя может вступать как все растение целиком, так и его отдельные части или органы (луковицы, клубни, почки). Важное значение в регулировке роста растений является прорастание семян. Повышение прорастания семян может быть достигнуто за счет ряда воздействий, как регуляторного, так и других. Так у семян многих плодовых культур, длительность покоя семян определяется во многом непроницаемостью семенных оболочек. Длительное пребывание в условиях с повышенной деятельностью микрофлоры, выделяющей вещества, способные растворить семенной покров стимулирует прорастание семян в естественных условиях. В таком случае ускорить прорастание семян можно с помощью приема скарификации (разрушение семенного покрова).

Основной причиной медленной всхожести семян являются ингибиторные вещества, присутствующие в семени. По мере формирования зародыша ингибиторы роста накапливаются непосредственно в нем или окружающих его тканях, постепенно поступая туда с ассимилятами за счет аттрагирующей способности зародыша или непосредственно синтезируясь в тканях, прилегающих к зародышу. В качестве природных ингибиторов роста выступают как фитогормоны – абсцизовая и жасмоновая кислоты, так и ряд фенольных соединений.

Другой причиной низкой всхожести семян является недостаток стимуляторных веществ, прежде всего гиббереллинов, повышающих активность гидролаз, которые расщепляют запасные вещества до легко растворимых мономеров, необходимых для роста зародыша. А также сказывается недостаток цитокининов, которые активируют процессы деления клеток. Недостаток стимуляторных веществ может быть обусловлен: 1) ранним отторжением зародыша от материнского растения, 2) недостаточной способностью зародыша продуцировать собственные фитогормоны, 3) низкой активностью ферментов, переводящих фитогормоны из запасной формы в активную, 4) высокой активности гормон-разрушающих ферментативных комплексов.

Соответственно, фиторегуляторы, повышающие уровень стимуляторов или снижающие уровень ингибиторов, будут ускорять прорастание семян и наоборот. Стимулирование прорастания семян с помощью фиторегуляторов широко используется на многих культурах. При этом повышается использование почвенной влаги, конкурентноспособность с сорняками, что приводит к повышению урожайности. Особенно хорошие результаты в этом направлении получены на овощных культурах и сахарной свекле.

Практически интерес представляет и обратный прием – подавление прорастания. Это имеет значение для культур со слабо выраженным покоем семян, способных при повышенной влажности и в период сбора к энзимно-микозному истощению или прорастанию еще на материнском растении, что приводит к большим потерям урожая. Для борьбы с этим недостатком перспективно применение фиторегуляторов антигиббереллинового действия. Они снижают активность гиббе

Дата добавления: 2014-01-20