ФИТОГОРМОНЫ И СИНТЕТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ РОСТА И РАЗВИТИЯРАСТЕНИЙ В БИОТЕХНОЛОГИИ ИРАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Природные и синтетические регуляторы роста и развития растений, или фиторегуляторы, являются мощным средством управления онтогенезом растений. Поэтому они находят широкое применение в биотехнологии сельскохозяйственных растений и в практическом растениеводстве.
Фиторегуляторы — важное средство регулирования диффе-ренцировки клеток, клеточных делений, образования новых тканей и органов, темпов роста и развития растений, их продуктивности и качества урожая. Генетическая инженерия растений также опирается на знания о фиторегуляторах.
В современном растениеводстве фиторегуляторы применяются также в целях повышения урожайности и устойчивости агроценозов к неблагоприятным факторам среды, позволяют существенно облегчить ряд технологических операций. В настоящее время создаются фиторегуляторы нового поколения, воздействующие на растения в минимальных дозах (всего несколько миллиграммов на 1 га посевов). Это имеет огромное экологическое значение.
Точные знания о гормональной регуляции процессов жизнедеятельности растения, возможностях управления онтогенезом, практическом применении фиторегуляторов в растениеводстве необходимы для успешной работы современному специалисту сельского хозяйства и прежде всего агроному.
ГОРМОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА РАСТЕНИЙ
Понятие о фитогормонах. Гормональной регуляции живого организма принадлежит важная роль в реализации наследственной программы и адаптации к меняющимся условиям среды.
|
|
309
Впервые мысль о наличии у растений веществ регуляторной природы высказана Чарльзом Дарвиным в 1880 г. в работе «Способность к движению у растений» на основании экспериментов с изгибами проростков по направлению к источнику света. Одновременно с Ч. Дарвином выдающийся немецкий ботаник и физиолог растений Ю. Сакс постулировал присутствие в растении веществ, ответственных за формирование и развитие стебля, листа и корня. Однако эти предположения не получили признания ученых того времени.
Интенсивные исследования по изучению и выделению регу-ляторных веществ растений начались в начале XX в. В 1909—1910 гг. Г. Фиттингом было обнаружено вещество, вызывающее разрастание завязи и образование бессемянных плодов орхидей, названное им, по аналогии с регуляторными веществами животных, гормоном. За несколько лет до этого была установлена высочайшая рострегулирующая активность этилена, а в конце 20-х годов — выделен из растений ауксин. В это же время Н.Г. Холодным и Ф. Вентом была разработана теория тропизмов растений, названная по именам ее создателей, а в конце 30-х годов М.Х. Чайлахян выступил с гипотезой флориге-на — гипотетического фиторегулятора, обусловливающего переход растения к формированию генеративных органов и цветению.
|
|
Продуктивными в изучении гормонов растений оказались 50—60-е годы, когда были выделены гиббереллины, цитокини-ны и абсцизовая кислота и описаны их свойства. В наше время выделено еще несколько эндогенных регуляторных веществ — брассиностероиды, жасминовая и салициловая кислоты, некоторые олигосахариды, а также активно изучаются негормональные регуляторы роста растений — полиамины, ряд фенольных соединений, другие вещества.
Одновременно предпринимались попытки поиска, создания и использования регуляторных веществ в растениеводстве. Вначале это были синтетические аналоги ауксина для индукции корнеобразования при вегетативном размножении растений. На рубеже 60-х годов были открыты ретарданты — вещества, замедляющие осевой вегетативный рост. Они являются наиболее распространенными фиторегуляторами, применяемыми в сельском хозяйств. В настоящее время ведется активный поиск фиторегуляторов с другими ценными свойствами, особенно препаратов с антистрессовым и репаративным действиями.
|
|
Согласно современным представлением о регуляторах роста и развития растений фитогормонами называют вещества, которые синтезируются в растениях, транспортируются по ним и
310
в малых концентрациях способны вызывать ростовые или формативные эффекты.
Таким образом, первая особенность фитогормонов — эндогенное происхождение. Большинство фитогормонов образуется из органических кислот, в частности — аминокислот. Изменения в интенсивности синтеза того или иного фитогормона, вызванные внутренними или внешними причинами, приводят и к ответной реакции растения — переходу к другому характеру ростовых или формативных процессов.
Вторая особенность фитогормонов — возможность транспортировки их по растению. Биологический смысл этого условия заключается в том, что фитогормон, образовавшийся в одном органе, например в апикальной меристеме стебля, должен обладать свойством регуляции ростовых процессов в других органах, например в корне. Именно таким образом достигается взаимовлияние органов, целостность растения. Ряд веществ, обладающих высокой регуляторной способностью, например некоторые фенольные соединения, не могут быть признаны фитогормонами, так как неспособны к транспортировке и воздействуют лишь в месте своего синтеза.
|
|
Третья особенность — способность в малых концентрациях вызывать заметные ростовые или формативные эффекты. Фитогормоны действуют на растение в малых концентрациях порядка 10-13—10-7 М. Примером ростового эффекта может служить ускорение или замедление роста стебля, а формативного — дефолиация.
Не следует смешивать понятия гормона животных и гормона растений (фитогормона). Гормоны животных синтезируются в специальных органах — железах внутренней секреции, в то время как у растений такая специализация тканей и органов отсутствует. Гормоны животных не действуют в месте своего синтеза, а фитогормоны способны влиять на клетки, в которых они образуются. В этом отношении фитогормоны близки к гис-тогормонам животных.
Молекулярные механизмы действия фитогормонов. Практическое использование фитогормонов основано на глубоком знании молекулярных механизмов их действия, изучению которых в связи с этим придается большое значение. В настоящее время выявлена общая принципиальная схема образования фитогормонов, реализации их регуляторного действия, включающая биосинтез из предшественника, связывание со специфичным к данному гормону белковым рецептором с образованием активированного гормон-рецепторного комплекса, воздей-
311
ствие этого комплекса на геном растения и (или) на активность определенных ферментативных систем.
Фитогормоны синтезируются в растении из органических кислот, причем у нескольких фитогормонов может быть один и тот же предшественник. Так, мевалоновая кислота является исходным веществом для синтеза четырех классов фитогормонов: стимуляторов — гиббереллинов, цитокининов, брассиностерои-дов и ингибитора — абсцизовой кислоты (рис. 6.1).
При изменении условий внешней среды в растении происходят изменения в синтезе того или иного фитогормона. Ключевые ферменты, действующие на развилках путей биосинтеза фитогормонов, проявляют высокую чувствительность к изменению факторов среды (освещенности, температуры, и т. д.), что приводит к преимущественному синтезу определенного фитогормона. Примером такого воздействия внешних условий может служить повышенный синтез гиббереллинов при увеличении продолжительности освещения и наоборот, снижение содержания ауксина и увеличение уровня фенольных ингибиторов роста при избыточной инсоляции.
Образовавшаяся молекула фитогормона в дальнейшем транспортируется по растению от места своего синтеза к клеткам-мишеням, т. е. клеткам, чувствительным к данному фито-гормону. Транспорт фитогормонов происходит по проводящей системе растения, с током пасоки и ассимилятов, а также по межклеточному пространству.
Молекулы фитогормонов способны проникать в клетки-мишени двумя путями: перемещаться в соответствии с градиентом концентрации по плазмодесмам — протопластным кана-
312
лам, связывающим соседние клетки, или путем активного транспорта через пограничную мембрану клетки — плазмалемму.
Установлено, что гормональные эффекты реализуются путем конформационных изменений белковых молекул (варьирование формы и пространственной структуры), занимающих в клетке стратегически важное положение. Такие белки могут функционировать как рецепторы фитогормонов, преобразователи сигнала между рецептором и определенной ферментативной системой, а также как ферменты, активаторы или ингибиторы ферментов, компоненты мембранных транспортных систем. Гормональные эффекты во всех чувствительных клетках можно представить как цепь скоординированных изменений формы множества специфичных для данной клетки белков.
Первичная структура белка (определенная последовательность аминокислот) уже содержит необходимую информацию для приобретения белковой молекулой вторичной и третичной структур. Четвертичная структура определяется формой отдельных субъединиц. Биологическая активность белковой молекулы, в частности фермента, зависит от его третичной и четвертичной структур, на которую влияют следующие факторы.
1. Аллостерический модулятор — вещество, которое нековалентно связывается с регуляторным (аллостерическим) центром белка, находящимся на определенном расстоянии от его активного центра.
2. Ковалентные модуляторы, например фосфат, который присоединяется к белкам с помощью ферментов киназ и отщепляется фосфатазами.
В клетке молекула фитогормона взаимодействует со своим специфическим белковым рецептором и обратимо связывается с ним, образуя гормон-рецепторный комплекс (ГРҚ), вследствие чего происходит активация белковой молекулы рецептора за счет его взаимодействия с фитогормоном (рис. 6.2).
Рецепторы фитогормонов в настоящее время изучены крайне недостаточно. Имеющиеся данные указывают, что, по-видимому, большая их часть представляет собой глобулярные белки, с очень высоким сродством связывающие фитогормоны. В одной клетке могут находиться несколько видов рецепторов одного и того же фитогормона, что обусловливает и различные виды реакции растения на один и тот же фитогормон, т. е. полифункциональность действия фитогормона.
Интенсивность реакции на фитогормон определяется не только собственно концентрацией фитогормона, но и концентрацией его рецептора, так как полной физиологической активностью обладает их комплекс, а не отдельные компоненты. Это
313
обусловливает различную чувствительность клеток к одному и тому же гормону. Как правило, клетки-продуценты данного фитогормона имеют малую чувствительность к нему, обусловленную низкой концентрацией рецепторов.
С момента образования гормон-рецепторного комплекса возможны два основных пути реализации фитогормональной активности.
Первый путь связан с появлением новых ферментов или значительным изменением в содержании уже существующих ферментов клетки. Он обусловлен воздействием фитогормонов на генетические процессы. В связи с тем, что в этом случае происходит репрограммирование работы генов и синтез новых белков, проходит значительное время (от десятков минут до нескольких часов) от момента изменения концентрации фитогор-мона до проявления его эффекта.
Второй путь обусловлен изменением активности белков, главным образом — ферментов, уже существовавших в клетке до изменения концентрации фитогормона, за счет изменения их пространственной конформации. Поскольку второй путь не связан с синтезом новых белков, время проявления эффекта фито-
314
гормона в этом случае гораздо меньше — всего несколько минут.
Регуляцияэкспрессиигенов.Фитогормональная регуляция экспрессии генов обусловливает такие важнейшие процессы в жизни растительной клетки, как дифференцировка и дедифференцировка, деление, рост и адаптация к новым метаболическим условиям. Современные представления о механизмах такой регуляции позволяют представить ее в виде последовательности событий (рис. 6.3).
Проникновение фитогормона в клетку и образование гормонрецепторного комплекса могут быть связаны воедино. Это происходит тогда, когда рецептор фитогормона находится на внешней стороне плазмалеммы.
Слабо изучено превращение α-ГРК в форму, которая способна связываться с хроматином ядра и его проникновение через ядерную мембрану. Вероятным представляется и то, что α-ГРК не взаимодействует с хроматином, а лишь вызывает цепь реакций, приводящих к подобному эффекту.
Необходимо вспомнить, что соматическая клетка содержит всю генетическую информацию, заложенную в оплодотворенной яйцеклетке, из которой она образовалась. Во время дифференцировки, когда клетка приобретает специализацию, например становится фотосинтезирующей клеткой палисадной паренхимы, большая часть ее ДНК сворачивается в плотные клубки вместе с определенным набором ядерных белков, препятствующих транскрипции. Лишь небольшая часть хроматина (около 10%) находится в относительно разрыхленном состоянии. Эта часть состоит из трех видов: 1) транскрипционно неактивной на протяжении всего срока жизни клетки (молчащей); 2) постоянно экспрессируемой; 3) индуцируемой гормонами или другими сигнальными молекулами либо прямо, либо опосредованно через метаболиты или медиаторы. Ядерный хроматин содержит ДНК, белки, богатые аргинином и лизином (и поэтому имеющие щелочную реакцию), которые называют гистонами, и негистоновые кислые белки. Гистоны играют основную роль в плотности упаковки ДНК и, следовательно, ее доступности для транскрипции и гормональной индукции.
Предположительно, что α-ГРК, взаимодействуя со специфичными для него кислотными белками, так изменяет конфор-мацию хроматина, что это позволяет РНК-полимеразе II присоединиться к ДНК и провести транскрипцию контролируемого данным фитогормоном гена или группы генов. Возможен и несколько другой механизм, установленный на животных клетках, когда α-ГРК присоединяется к участку ДНК, называемому эн-
315
хансер, т. е. специфичной регуляторной непромоторной области, открывающей данный ген для транскрипции.
Относительно посттранскрипционных превращений
про-мРНК существует гипотеза, что наряду с транскрипцией собственно гена происходит и транскрипция регуляторных сайтов, комплементарных лишь экзонам; впоследствии взаимодействующих с этими областями и способствующими точной вырезке интронов.
Примером фитогормональной регуляции избирательной экспрессии генов может служить индукция синтеза α-амилазы при прорастании зерновки ячменя.
α-Амилаза, в отличие от других амилаз, которые постоянно в небольших количествах присутствуют в растительных клетках, синтезируется при наступлении благоприятных условий для'прорастания семени. При набухании зародыш продуцирует гормон гиббереллин. Гиббереллин диффундирует к клеткам алейронового слоя, соединяется с белками-рецепторами, образуя активный гормон-рецепторный комплекс, который снимает репрессорную блокаду, препятствующую экспрессии гена α-амилазы.
Готовый фермент в свою очередь диффундирует в эндосперм и расщепляет крахмал до растворимых Сахаров, которые впитываются щитком и служат энергетическим и структурным материалом для роста зародыша.
В зерновке с удаленным зародышем α-амилаза не образуется, так как нет гиббереллина — индуктора биосинтеза этого фермента. Добавление раствора гиббереллина к таким зерновкам включает биосинтез α-амилазы.
Примеры избирательной индукции синтеза ферментов известны для каждого компонента фитогормональной системы.
Фитогормональная регуляция на уровне генетических процессов требует значительного времени, как правило, нескольких часов от момента увеличения уровня гормона до проявления реакции. Однако известны примеры, когда новые мРНК появлялись уже спустя 5 мин, а соответствующие им белки—через 15 мин после резкого подъема концентрации фито-гормона в клетке, но это скорее исключение, чем правило. Среднее время фитогормональной регуляции работы генома исчисляется интервалом в несколько часов. В то же время, растение способно ответить на изменение уровня некоторых гормонов всего за несколько десятков минут. Эти «быстрые» реакции связаны со способностью фитогормонов регулировать активность уже существующих ферментов растительной клетки.
317
Регуляцияактивностиферментов. Вто-
ричныепосредникифитогормонов.В этом случае реакция на фитогормон проявляется в течение нескольких минут с момента резкого повышения его концентрации. Такие эффекты объясняются изменением активности ферментов, причем общее число молекул того или иного фермента практически не меняется, но их активность возрастает или снижается вследствие взаимодействия с аллостерическим эффектором, в роли которого может выступать фитогормон или его метаболит, или ковалентным модулятором типа Р034, что приводит к изменению сродства фермента к субстрату. Таким образом, быстрые ответные реакции на фитогормон объясняются изменением активности уже существующих в клетке ферментов.
Ярким примером «быстрых» реакций растения на фитогормон может служить стимуляция растяжения клеток колеоптиля под действием ауксина, которая отмечается уже через 5 мин после начала обработки. Данный эффект объясняется тем, что ауксин при взаимодействии со своим рецептором, локализованном в плазмалемме, активирует работу протонной помпы — ферментативной транспортной системы, производящей перенос протонов из клетки в область клеточной стенки. Происходящее при этом подкисление гемицеллюлоз и пектиновых веществ, входящих в состав клеточной стенки, приводит к тому, что связи между ее компонентами ослабляются и за счет тургор-ного давления, создаваемого вакуолью, клетка растягивается.
В последнее время активно проводятся исследования вторичных посредников (мессенджеров) фитогормонов. Интерес к ним возник в связи с открытием циклического аденозинмоно-фосфата (цАМФ) как посредника, усилителя действия гормона животных — адреналина. В растениях также обнаружена цАМФ, и недавно показано, что это вещество выполняет аналогичные функции и в растительном организме.
Другими общими вторичными посредниками для растительного и животного царств являются Са2+, циклический гуанозин-монофосфат (цГМФ) и, возможно, метаболиты фосфатидилино-зитола. Список вторичных посредников, по-видимому, не исчерпывается названными веществами и в недалеком будущем будет расширен. Вторичные посредники находятся в очень тонких взаимоотношениях друг с другом, о механизмах которых в настоящее время практически ничего не известно.
В общем виде действие вторичного посредника заключается в том, что небольшое число молекул гормона в клетке вызывает продукцию гораздо большего числа молекул вторичного посредника, а последние в свою очередь положительно или отри-
318
цательно влияют на активность белковых молекул. Таким образом происходит умножение сигнала, исходно возникшего при связывании гормона с рецептором. Наиболее полно механизм действия вторичного посредника гормона изучен на примере цАМФ (рис. 6.4).
Гормон присоединяется к своему специфическому рецептору, расположенному в плазмалемме таким образом, что сайт связывания гормона располагается на внешней поверхности мембраны. В результате этого взаимодействия рецептор изменяет свою конформацию и активирует ферментативный комплекс адени-латциклазы, также частично расположенный в мембране. Аде-нилатциклазный комплекс (АК) включает в свой состав помимо собственно фермента, осуществляющего превращение АТФ в цАМФ, еще и регуляторные вещества белковой природы (G-бел-ки). G-белки, в свою очередь, активируются при взаимодействии с другим нуклеотидом — гуанозинтрифосфатом (ГТФ), что приводит к их диссоциации на субъединицы, которые и представляют собственно управляющий агент синтеза цАМФ.
Образовавшаяся с помощью аденилатциклазного комплекса цАМФ в дальнейшем взаимодействует со специфической протеинкиназой (ПК) и активирует ее. цАМФ-зависимая протеинки-наза в своей неактивной форме представляет собой тетрамерный белок, состоящий из двух регуляторных (Р) и двух каталитических (К) субъединиц— Р2К2. Каталитические субъединицы приобретают активность только при диссоциации комплекса, происходящей в результате связывания цАМФ с регуляторны-ми субъединицами:
Р2К2 (неактивный фермент) + 4цАМФ = (Р + цАМФ2)2 + 2К (активные субъединицы)
После диссоциации активные субъединицы ПК обратимо фосфорилируют ряд других ферментов, катализирующих ключевые реакции метаболизма, изменяя их активность, что в конечном итоге и обусловливает физиологический эффект гормона. 1 Сходным образом действуют и другие вторичные посредники, в частности, имеющие наибольшую значимость для растений — цГМФ и комплекс кальций — кальмодулин.
Посредническая деятельность Са + проявляется в следующем: I) под действием гормона в клетке резко возрастает концентрация Са +; 2) четыре иона кальция Са2+ соединяются с молекулой белка кальмодулина и активируют его; 3) комплекс Са2+ с кальмодулином влияет на активность белков одним из двух способов: путем прямого взаимодействия с ферментом-мишенью или через активируемую этим комплексом протеинкиназу.
Классификация, структура и функции фитогормонов. В настоящее время известно шесть групп фитогормонов. По-видимому, список гормонов растений ими не исчерпывается. Открытие нового фитогормона —очень редкое событие, так как эти вещества присутствуют в растении в очень небольших концентрациях. Тем не менее, очевиден прогресс в изучении регуляторных систем растения, связанный с совершенствованием методов исследования.
Ауксины. Открыты в 20-е годы как фактор тропизмов растений. В начале 30-х годов Ф. Кегль выделил в чистом виде и установил химическое строение природного ауксина — индо-лил-3-уксусной кислоты (ИУК):
320
ИУК образуется из аминокислоты — триптофана. Биосинтез ИУК изучен довольно полно. Показано, что между содержанием предшественника ИУК триптофана и содержанием собственно ИУК не всегда прослеживается корреляция.
Биосинтез ИУК включает отщепление от триптофана аминогруппы с образованием индолил-3-пировиноградной кислоты (ИПВК), декарбоксилирование ИПВК с образованием индо-лил-3-ацетальдегида (ИААльд) и окисление его в ИУК. Аналогично из фенилаланина образуется ФУК. Возможны и другие пути синтеза, в частности, у крестоцветных ИУК может образовываться и из глюкобрассицинов через индолил-3-ацетонитрил.
Ферменты, катализирующие образование ауксинов (трансаминаза, декарбоксилаза, аминооксидаза, альдегиддегидрогеназа), не специфичны для синтеза ИУК. Это свидетельствует о том, что регуляция синтеза данного гормона не связана с изменением активности этих ферментов, а другие пути регуляции пока не исследованы.
Уровень ауксинов в клетке зависит не только от синтетических процессов, но и от инактивации. ИУК очень нестойкое вещество, быстро разлагается, особенно под действием света. В растительных клетках имеется ферментативная система ИУК-оксидазы, эффективно разрушающая ИУК- Известно, что активность ИУК-оксидазы во многом зависит от внешних условий, в частности — освещенности.
Основным местом синтеза ауксинов являются апикальные меристемы стебля, откуда они поступают в другие органы. В меньшей степени синтез этого фитогормона происходит в листьях, причем в молодых листьях ауксина образуется больше, чем в старых.
Скорость перемещения ауксина в растении довольно небольшая— 10—15 мм/ч. Это обусловлено тем, что ауксин не включается в систему транспорта ассимилятов, а передвигается по живым клеткам. При этом в апикальный конец клетки ауксин проникает пассивно вместе с ионами Н+, а в базальном конце активно переносится через плазмалемму.
Известен ряд ингибиторов транспорта ауксина. Таким свойством обладают 2, 3, 5-три'иодбензойная кислота (ТИБК), N-1-нафтилфталаминовая кислота, морфактин, а также другой фитогормон — этилен.
Механизм поглощения ауксина клеткой включает две фазы: 1) быстрое обратимое поглощение, происходящее по механизму, близкому к диффузии, когда между клеткой и окружающей ее
11-177
321
средой устанавливается равновесие в концентрации ауксина. Достижение этого равновесия зависит не только от разницы концентраций ИУК в растворе и клетке, но и от различий рН раствора и цитоплазмы. Возможно, что в поступлении ИУК. в клетку участвуют и специфические переносчики, роль которых особенно велика при рН, близком к нейтральному. Продолжительность этой фазы 25—30 мин; 2) метаболическое накопление. В это время ауксин связывается с различными компонентами клетки, чаще всего с образованием глюкозного эфира или индолил-3-ацетиласпарагиновой кислоты. Связанный ауксин не участвует в клеточной регуляции и представляет собой запасную форму гормона.
Физиологические эффекты ауксина связаны с его действием на клеточном уровне, которое появляется в регуляции растяжения, деления и дифференцировки.
Как уже отмечалось, механизм растяжения клеток под действием ауксина обусловлен активацией протонной помпы, приводящей к подкислению клеточной стенки, и ее последующим растяжением за счет тургорного давления вакуоли.
Растяжение клеток и размягчение клеточных стенок под действием ауксин-активируемой протонной помпы может играть важную роль в процессах дедифференцировки и последующего деления, наряду с активацией ферментов, участвующих в разрыхлении клеточной стенки — целлюлазы и пекти-наз.
Индукция ауксином клеточных делений также обусловлена и тем, что он создает условия, необходимые для репликации ДНК, включающие в себя стимулирование дыхания, синтеза РНК и белков.
В целом растении участие ауксина в регуляции деления клеток наиболее отчетливо проявляется в тех случаях, когда активация деления вызывается ауксином, поступающим из ме-ристематических органов. Так, весеннюю активацию камбия вызывает ауксин, поступающий из пробудившихся почек. Разрастание завязи и цветоложа (у земляники) индуцируется ауксином, выделяющимся из развивающихся семян. Активация деления клеток камбия, приводящая к образованию боковых, или адвентивных, корней, определяется повышением содержания ауксина в базальной части черенка или корня в результате базипетального транспорта.
Ауксин вызывает не только дедифференцировку. Он способен стимулировать дифференциацию меристематических или
322
дедифференцированных клеток в клетки проводящих тканей. Под действием ауксина отмечается формирование проводящих флоэмных и ксилемных элементов в каллуснои ткани, что имеет большое значение в биотехнологии и практике растениеводства.
Тропизмы, т. е. изменение положения различных органов растения, также регулируются ауксином. Механизм их обусловлен неодинаковой скоростью растяжения клеток латеральных сторон осевых органов, вызванной неодинаковым содержанием в них ауксина.
Аттрагирующее (т. е. притягивающее) свойство ауксина определяет и такое важное в жизни растения свойство, как апикальное доминирование. Апекс, продуцирующий этот фитогормон, представляет собой мобилизационный центр, к которому притекают питательные вещества и другие фитогормоны (гиббереллины и цитокинины). Вследствие этого питательные вещества и фитогормоны практически не поступают к пазушным почкам, которые поэтому не растут или растут гораздо медленнее, чем верхушечная почка. Механизм аттрагирующего действия практически не изучен. Есть основания полагать, что он связан с активацией протонной помпы.
Опадение листьев, завязей и плодов также контролируется ауксинами. Пока орган в неповрежденном, активном состоянии, из него постоянно идет отток ауксина. Прекращение этого потока является сигналом растению о нарушении жизнедеятельности листа, ненужности неоплодотворенной или избыточной завязи, созревании плода. При этом происходит формирование отделительного слоя и опадение органа.
По мнению В.В. Полевого, ауксин —один из наиболее древних фитогормонов. Так, известно, что даже у простейших имеется регуляторное вещество — серотонин, очень близкое по строению с ИУК, которое выполняет функции внутриклеточного и тканевого гормонов, а с появлением нервной системы — роль нейромедиатора.
Индукция деления могла быть первичной функцией ауксина и родственных ему соединений. Затем в процессе эволюции ауксин становится фактором межклеточной и межорганной регуляции: растяжения клеток, индукции образования проводящих пучков и корней, апикального доминирования.
Цитокининыоткрыты в 1955 г. как факторы, стимулирующие деление клеток. Первый природный цитокинин был назван зеатином, так как это вещество выделено из незрелых семян кукурузы. Сейчас известно еще 12 других цитокининов, их химическое строение близко к строению зеатина. Показана вы-
323
сокая цитокининовая активность у дифенилмочевины и ряда ее производных: |
При этом возможно, что цитокининовое действие дифенил-мочевины обусловлено следующими эффектами: ингибированием цитокининоксидазы, индукцией синтеза «настоящего» цито-кинина, способностью взаимодействовать с рецепторами цито-кинина.
В процессе эволюции этот класс фитогормонов, так же как и ауксины, начал формироваться очень рано. Цитокинины широко распространены в растительном мире: от водорослей до цветковых растений. Соединения с цитокининовой активностью обнаруживаются уже у бактерий.
Цитокинины синтезируются в растении из двух главных предшественников — мевалоновой кислоты и 5'-АМФ. Возможен синтез цитокининов из продуктов распада некоторых тРНК, содержащих модифицированный аденозин. При этом образуется неактивный цис-изомер зеатина, однако треть его способна превращаться в физиологически активный транс-изомер под действием специфичной изомеразы.
Ключевой реакцией биосинтеза цитокинина является образование ГМ-(0-изопентенил)аденозин-5'-монофосфата из D-изо-пентенилпирофосфата и 5'-АМФ. Фермент, осуществляющий эту реакцию, очень нестабилен, он Mg2+-зависим, активируется Мп и блокируется Hg2+, а также отличается высокой специфичностью к 5'-АМФ.
Цитокинины синтезируются главным образом в апикальных меристемах корня, откуда активно транспортируются с пасокой по ксилеме. Скорость передвижения цитокининов поэтому гораздо выше, чем ауксинов. Направление транспорта — акропе-тальное, особенно много цитокининов обнаруживается в активных меристемах и семенах.
Стабильность цитокининов в растении невысока, время полураспада зеатина составляет в зависимости от вида растения и его органа от 6 до 20 ч. Скорость разрушения в молодых тканях ниже, чем в старых. Медленнее всего этот процесс идет в
324
корнях. Деструкция цитокининов начинается с конъюнгирования с сахарами (рибоза, глюкоза) и аминокислотой аланином. При этом путь образования О-глюкозидов цитокинина можно рассматривать как запасание этого гормона, а другие — как необратимую деструкцию. Недавно открыт фермент цитокининоксидаза, окисляющий цитокинин без предварительного гликозидирования. Окисление при этом происходит по месту присоединения алифатической части к аденину.
Основной физиологический эффект цитокинина заключается в активации клеточных делений. В отличие от ауксина, создающего необходимые условия для митоза, выражающиеся в дедифференцировке и репликации ДНК, т. е. в инициировании митоза, цитокинин активирует следующие стадии: работу РНК-полимераз, образование РНК и синтез белков. Возможно, что эти эффекты связаны с аттрагирующим действием цитокинина.
Аттрагирующее действие частично обусловливает и ряд других эффектов данного фитогормона, к числу которых можно отнести стимулирование роста клеток листьев и семядолей, снятие апикального доминирования, задержку старения листьев и регуляцию передвижения веществ в растении.
Стимулирование роста клеток листьев и семядолей под действием цитокинина, помимо аттракции, связано с активацией синтеза белка и ускорением использования запасных веществ. Это действие цитокинина проявляется лишь на листьях двудольных растений.
Значительную роль цитокинин играет и в регуляции органогенеза. Преобладающая концентрация этих гормонов задерживает образование корней и ускоряет закладку стеблевых почек. Они также способны индуцировать зацветание некоторых видов растений в условиях неблагоприятного фотопериода.
Под действием цитокинина покоящиеся семена и клубни ряда культур выходят из состояния покоя. Возможно, что это связано с активацией синтеза гидролитических ферментов.
Цитокинины не только задерживают старение листьев, но и регулируют формирование хлоропластов на ранних стадиях развития листа, а также их рост и деление за счет стимулирования синтеза хлоропластных РНК и белков.
Цитокинины участвуют также в регуляции транспирации листьев, открывая устьица, что наряду со стимулированием формирования хлоропластов и задержкой старения листьев приводит к большей фотосинтетической активности.
Очень важным свойством цитокининов является их способность повышать устойчивость клеток растения к различным неблагоприятным воздействиям — повреждающим температурам,
325
недостатку воды, повышенной засоленности, рентгеновскому излучению, фитотоксичным воздействиям иестицидов. Механизм такого защитного действия еще не совсем ясен. Однако установлено, что повышение уровня цитокининов при неблагоприятных условиях жизни растения стимулирует синтез стрессовых белков, защищающих клетку.
Гиббереллины были открыты (в 1926 г.) и выделены (в 1938 г.) в Японии как продуценты патогенного гриба Gibberellafujicuroi , вызывающие чрезмерный вегетативный рост риса. В середине 50-х годов была установлена их химическая структура и присутствие этих веществ во многих видах растений.
Изучение гиббереллинов активно продолжается. Уже известно около 70 представителей этих веществ, в том числе 45 выделены из растений. Они представляют собой терпеноиды:
Синтезируются гиббереллины в растении из мевалоновой кислоты. Начальные этапы синтеза гиббереллинов из мевалоновой кислоты до геранил-геранилпирофосфата являются общими для дитерпеноидов. Дальнейший синтез можно разделить на три основных этапа: образование энт-каурена; окисление энт-каурена в ГК12-альдегид; окисление ГК12-альдегида в различные гиббереллины. Наряду с синтезом собственно физиологически активных молекул гиббереллинов образуются также их многочисленные изомеры и эпимеры, слабо изученные в настоящее время.
326
Известен ряд соединений, которые способны блокировать биосинтез гиббереллинов. Практически все эти вещества обладают ретардантным действием, т. е. тормозящим рост. Прерывание биосинтеза гиббереллина происходит за счет блокирования определенных ферментов. Так, хлорхолинхлорид и другие четвертичные аммониевые соединения прерывают образование энт-каурена, блокируя первую стадию реакции образования каурена, происходящую в цитоплазме, в отличие от второй стадии, происходящей в хлоропластах. Обе стадии осуществляются одним и тем же ферментом — энт-кауренсинтазой. Триазольные вещества прерывают образование энт-кауреновой кислоты, блокируя три последовательные реакции окисления энт-каурена.
Большой интерес в вопросе локализации биосинтеза гиббереллинов. представляет тот факт, что этот процесс разделен в пространстве. Так, этапы биосинтеза до образования энт-каурена включительно идут в листе, после чего это вещество транспортируется в корень, где и происходят окончательные реакции, превращающие предшественник в собственно различные гиббереллины. При этом образование гиббереллинов у растений, чувствительных к фотопериоду, происходит лишь при определенной длине светового дня.
Транспорт гиббереллинов не полярен. Они перемещаются акропетально и базипетально по сосудам ксилемы и флоэмы с током водных растворов. В связи с таким характером транспорта скорость распространения этого фитогормона сравнительно высока.
Деструкция гиббереллинов в растительной клетке происходит двумя путями. Во-первых — гидроксилирование, во-вторых — образование гликозидов, глкжозиловых эфиров и других соединений, не обладающих физиологической активностью. Эти пути могут заканчиваться окислением гиббереллинов.
Физиологическое действие гиббереллинов проявляется главным образом в стимуляции ростовых процессов за счет усиления растяжения клеток и повышения митотической активности меристематических тканей. Стимулирование растяжения клеток под действием гиббереллина не связано с активацией протонной помпы, в отличие от действия ауксинов, а обусловлено усилением синтеза материала клеточной стенки.
Молекулярный механизм повышения меристематической активности гиббереллинами не вполне ясен. Известно действие этих гормонов по сокращению S-периода митотического цикла, а также определенная пространственная ориентация индуцированных гиббереллином митозов вдоль продольной оси растения.
Наблюдается определенная специфика в ростовых реакциях растений различных семейств на тот или иной гиббереллин.
327
Так, растения семейства тыквенных и некоторые крестоцветные не изменяют своего роста под действием ГК3, но активно реагируют на ГК4, который, в свою очередь, не изменяет интенсивность роста представителей ряда других семейств.
Помимо видовой специфичности на гиббереллин, ярко выражена специфичная реакция органов одного и того же растения на повышение уровня этого фитогормона. Вызывая активный рост стебля, гиббереллин практически не влияет на рост листа и угнетает рост корней. Отрицательное действие гиббереллина на корни может быть связано с перераспределением питательных веществ на преимущественное развитие активно растущей надземной системы.
Дефицит гиббереллинов может определять карликовость растений. Причины карликовости в этом случае, как правило, обусловлены нарушением работы ферментативной системы биосинтеза этих фитогормонов.
Гиббереллины играют большую, но недостаточно изученную роль в процессах перехода к формированию генеративных органов и зацветанию. Показано на многолетних растениях, что повышение уровня гиббереллинов на стадии детерминации генеративного пути развития меристем приводит к подавлению образования генеративных органов. В то же время, снижение уровня гиббереллинов на более поздних этапах формирования элементов цветка в меристеме так же неблагоприятно сказывается на генеративном развитии.
У некоторых розеточных растений обработка гиббереллином индуцирует зацветание, даже в условиях неблагоприятного светового дня. Это дало основания академику М.Х. Чайлахяну для представления гиббереллина как необходимой части гипотетического гормона флоригена. Предполагается, что помимо гиббереллина в состав флоригена входят антезины — еще не выделенные фитогормоны.
Введение гиббереллина извне часто вызывает угнетание развития семян и формирование партенокарпических плодов. У растений с раздельнополыми цветками отмечен эффект сдвига сексуализации в сторону преобладающего формирования мужских цветков.
Гиббереллины способны выводить семена и клубни растений из состояния покоя. Это связано с индуцированием ими синтеза ряда гидролитических ферментов, главным образом а-амилазы, расщепляющей запасной крахмал и делающий его доступным для питания зародыша.
Этилен. В 1901 г. Д.Н. Нелюбов из Петербургского университета сообщил о том, что этилен, входящий в состав светильного газа, стимулирует опадение листьев и нарушает фото-
328
тропизм проростков гороха. В 1934 г. этилен был обнаружен в газообразных выделениях хранящихся яблок. Это послужило основанием для того, чтобы считать его фитогормоном.
Этилен — единственный известный газообразный фитогор-мон очень простого строения. В растениях этилен синтезируется из аминокислоты метионина (рис. 6.5).
Ключевой реакцией в биосинтезе этилена является образование его непосредственного предшественника — 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислоты (АЦК). Представляет большой интерес тот факт, что другой фитогормон — ауксин — существенно повышает активность фермента, ответственного за образование АЦК. Известны и ингибиторы этого фермента: амино-оксиуксусная кислота и аминоэтоксивинилглицин. Образование этилена и АЦК подавляется ионами Со2+, этилендиаминтетра-ацетатом (ЭДТА), светом.
Дезактивация этилена, кроме выделения его в окружающую среду, происходит путем образования окиси этилена. Установлено, что максимальная активность этилена совпадает по времени с его максимальным окислением, а искусственное прекращение окисления прекращает действие этого фитогормона. Все это дает возможность предполагать, что окисление этилена каким-то образом связано с реализацией его фитогормональной активности.
Способностью к биосинтезу этилена обладают практически все живые клетки растения. В онтогенезе характер образования этого фитогормона резко изменяется. У ювенильного растения этилен синтезируется главным образом в меристематических тканях. В дальнейшем наибольшие количества этилена образуют созревающие плоды. Биосинтез этилена также резко усиливается при травмах или стрессовых воздействиях на растение.
Как и большинство других фитогормонов, этилен обладает широким спектром регуляторных эффектов, причем даже в пределах одного растения возможны различные реакции клеток на этот фитогормон.
Этилен способен вызывать изодиа метрическое растяжение клеток (утолщение), что связано с изменением ориентации микротрубочек, вследствие чего вновь синтезируемые микрофибриллы целлюлозы располагаются вдоль новой оси растяжения.
Ряд эффектов этилена объясняется его антиауксиновым действием. В отличие от ауксина, этилен вызывает формирование отделительного слоя, т. е. приводит к опадению листьев, цветков, завязей и плодов. Это обусловлено тем, что он индуцирует синтез ферментов эндополигалуктороназы и целлюлазы, разрушающих клеточные стенки. Под действием этилена прекращается индуцированное ауксином растяжение клеток, подавляется митотическая активность. Этилен также блокирует транспорт ауксина.
Этилен не только вызывает опадение плодов, но и ускоряет их созревание. Под действием этого фитогормона повышается выход латекса у каучуконосных растений.
По-разному действует этилен на рост растений. У большинства растений он тормозит вегетативный рост, подавляя процессы деления и растяжения клеток. Однако, в ряде случаев, например, для проростков риса, повышение его концентрации приводит к активации роста.
Значительный интерес представляет защитное действие этилена. Как уже отмечалось, образование этилена резко увеличивается при стрессовых воздействиях и механических повреждениях. Возможно, что это первый ответ растения на потенциаль-
330
ную опасность. Стрессовый этилен индуцирует синтез фитоалексинов (защитных веществ) и фермента хитиназы, разрушающего клеточные стенки патогенных грибов, а также некоторых фенольных соединений.
Кроме того, повышение уровня этилена приводит к стимуляции образования другого фитогормона, также принимающего участие в защитной реакции растений — абсцизовой кислоты.
Абсцизоваякислота (АБК) впервые выделена в 1964 г. из молодых коробочек хлопчатника. Она представляет собой сесквитерпен, синтезируемый в растении из мевалоновой кислоты (рис. 6.6).
Возможно также образование АБК из продуктов распада ксантофилла виолоксантина под действием света или фермента липоксигеназы. Это, по-видимому, объясняет резкое увеличение данного фитогормона при стрессе. АБК синтезируется во всех органах растения. Интенсивность ее образования увеличивается по мере старения, а также при неблагоприятных воздействиях, особенно при недостатке влаги. Наибольшее содержание этого фитогормона в хлоропластах старых листьев, зрелых плодах, покоящихся семенах и почках. По мере созревания зародыш семени сам приобретает способность синтезировать АБК, регулируя таким образом процесс собственного покоя и устойчивости. Синтез АБК имеет четкую фоторитмичность, возрастая в 50—60 раз ночью в сравнении с днем. На уровень АБК стимулирующе действует снижение температуры и уменьшение в составе света синих и ультрафиолетовых квантов.
331
АБК транспортируется акропетально и базипетально по флоэме и ксилеме. Скорость передвижения довольно высока. Аттрагирующими центрами для АБК являются активно делящиеся меристемы. Метаболизм АБК может осуществляться через образование конъюгата с сахарами (гликозидирование), которое может быть обратимым и необратимым, а также окислением через фазеевую кислоту.
Фитогормональные эффекты АБК весьма разнообразны. Они связаны как с ингибированием, так и со стимуляцией важнейших физиологических процессов. Абсцизовая кислота — фитогормон с мощным ингибиторным действием. Она ускоряет распад нуклеиновых кислот, белков, хлорофилла, ингибирует активность протонной помпы. Под действием АБК закрываются устьица и прерывается фотосинтетическое фосфорилирование.
Покой семян, почек и клубней регулируется АБК. По мере созревания она накапливается в запасающих органах и семенах. Накопление АБК в органе приводит к тому, что основные процессы жизнедеятельности минимализируются и орган переходит в состояние глубокого покоя.
Абсцизовая кислота выступает как коррелятивный ингибитор — фактор, блокирующий процессы роста, стимулируемые ауксинами, цитокининами и гиббереллинами.
Известен и ряд активирующих эффектов АБК: стимуляция развития партенокарпических плодов у розы и образования клубней картофеля, удлинение гипокотиля огурца, образование корней у черенков фасоли. Значительные изменения вызывает этот фитогормон и в составе запасных белков зерновых культур.
Очень важна роль абсцизовой кислоты в устойчивости растений к стрессу. Она, так же как и цитокинин, индуцирует синтез стрессовых белков, в том числе и особой группы — белков синикации. Данные вещества ответственны за обезвоживание семян, что обеспечивает их покой. Растения, неспособные к синтезу этого фитогормона, быстро погибают.
Брассиностероиды. Этот класс фитогормонов открыт сравнительно недавно и сейчас активно изучается. Особый интерес исследователей вызывает тот факт, что брассиностероиды—единственные известные гормоны растений стероидной природы. Учитывая, что у насекомых и животных стероиды играют огромную роль в процессах гормональной регуляции, сведения о брассиностероидах могли бы быть очень важными для осмысления эволюции гормональных систем растительного и животного царств:
332
Процессы биосинтеза и транспорта брассиностероидов слабо изучены. Известно, что малые количества этих фитогормонов содержат ткани цветка, листья и молодые стебли растений. Максимальная концентрация брассиностероидов отмечена в пыльце, из которой они и были впервые выделены в 1970 г.
Физиологическое действие брассиностероидов близко к действию других фитогормонов. Подобно ауксину, брассиностероиды стимулируют растяжение клеток, подобно гиббереллину — усиливают ростовые процессы целого растения, подобно цитокинину — стимулируют рост изолированных семядолей огурца. Брассиностероиды обладают также некоторыми факторами, сходными с этиленом.
Специфичным действием этих фитогормонов можно считать регуляцию роста семяпочки. Микроколичества брассиностероида, попадая с пыльцой в семяпочку, стимулируют ее развитие и образование семян.
Большой интерес вызывает недавно обнаруженный эффект стимулирования брассиностероидами устойчивости растений к стрессам и грибным заболеваниям. Причины такого действия скорее всего связаны с повышением образования стрессовых белков, а также фитоалексинов и других компонентов системы фитоиммунитета.
В настоящее время исследования брассиностероидов активно проводятся во многих странах в целях повышения продуктивности и устойчивости сельскохозяйственных растений.
Другиеприродныерегуляторныесоединения.Жасминовая кислота. Сообщения о жасминовой кислоте (ЖК) как о фитогормоне появились недавно. Ее роль в системе фитогормональной регуляции не вполне ясна, однако известно, что это вещество обладает мощным ингибиторным действием:
Под действием жасминовой кислоты резко увеличивается уровень другого фитогормона — абсцизовой кислоты. Она способна также регулировать уровень этилена, стимулируя его биосинтез в молодых растущих тканях и снижая — в старых.
Жасминовая кислота индуцирует биосинтез определенных белков, функции которых до настоящего времени не известны. Этот фитогормон может также управлять активностью уже существующих в клетке ферментов, например активность полифе-нолоскидаз под действием жасминовой кислоты повышается в 6—9 раз.
Действие жасминовой кислоты близко к действию АБК. В то же время отмечается различная чувствительность органов к АБК и ЖК.
Салициловая кислота. Первое сообщение о гормональном действии салициловой кислоты появилось в 1988 г., когда был установлен эффект повышения температуры пробивающего снег крокуса, контролируемый салициловой кислотой. Известен и ряд других эффектов салициловой кислоты: блокирование биосинтеза этилена на уровне его образования из АЦК, прерывание восстановления нитратов на уровне N0, индуцирование зацветания короткодневного растения, находящегося в условиях длинного дня.
Олигосахариды. В настоящее время имеются многочисленные экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что некоторые олигосахариды, образующиеся при частичном гидролизе клеточных стенок растений, грибов и насекомых, обладают регуляторным действием на растения. Их действие проявляется в повышении устойчивости растений к вредоносным организмам за счет активации системы фитоиммунитета. Отмечено, что увеличение уровня олигосахаридов способствует усилению образования этилена в растениях. Однако до последнего времени остается открытым вопрос о.том, оказывают ли олигосахариды действие непосредственно активируя собственную систему ответа или индуцируемые им эффекты связаны с увеличением биосинтеза этилена.
Ингибитор цветения BEHD . В конце 80-х годов большой интерес ученых всего мира вызвало открытие ингибитора зацветания, названного BEHD. Оно представляет собой линейную молекулу липида с 18 углеродными 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 BEHD
334
способен играть значительную роль в переходе растений к формированию генеративных органов.
Спийок фитогормонов не исчерпывается приведенными классами. Эти вещества присутствуют в растении в очень малых количествах, поэтому обнаружить, выделить и идентифицировать их чрезвычайно сложно, но поиски в этом направлении активно ведутся.
Высказано предположение, что фузикокцин (стероидное вещество), ранее известный лишь как продуцент жизнедеятельности грибов, является фитогормо-ном, т. е. синтезируется в растении и регулирует ростовые процессы. Возможно существование и пептидных фитогормонов.
Взаимодействие фитогормонов в растениях. Гормоны растений активно взаимодействуют. Они влияют на синтез, рспад и транспорт друг друга. Изменение уровня одного из компонентов фитогормональной системы неизбежно приводит к изменениям всей системы (рис. 6.7).
Состояние фитогормональной системы, т. е. соотношение между уровнями фитогормонов, соответствующее определенному этапу органогенеза, ответу на внешнее воздействие, называют гормональным статусом. Гормональные статусы изучены слабо. Это объясняется трудностью количественного определения фитогормонов. Только недавно появились совершенные методы анализа этих веществ, и в скором времени фитогормональные статусы будут расшифрованы для многих растений. Это даст возможность более полно и направленно управлять продуктивностью растения, подготавливать его с помощью соответствующих приемов к перенесению неблагоприятных условий внешней среды.
Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 296; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!