Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Гормоны растений, или фитогормоны (греч. hormon — побуждающий, вызывающий), — вещества, образующиеся в очень малых количествах в одной части растения, транспортирующиеся в другую его часть, вызывающие там специфическую ростовую или формообразовательную реакцию. В настоящее время у растений обнаружены: ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота, этилен, брассиностероиды и др. Сначала их делили на гормоны-стимуляторы и гормоны-ингибиторы роста. Однако дальнейшие исследования показали, что один и тот же гормон может стимулировать один процесс и ингибировать другой. Гормоны полифункциональны и включают (индуцируют) не одну какую-нибудь реакцию, а целую физиологическую программу. После включения ответной реакции гормон должен быть разрушен или инактивирован.
В настоящее время ученые приходят к выводу, что на каждом этапе развития того или иного органа (ткани) в нем должна поддерживаться определенная концентрация каждого гормона. Даже вводится специальное понятие «гормональный гомеостаз» (Д. Мок, США). Это состояние достигается благодаря регуляции биосинтеза гормона, его метаболизма, транспорта и компартментации.
Гормоны, образующиеся в клетках растения, называют эндогенными, а используемые человеком для обработки растения или его органов —экзогенными.
В 1913 г. П. Бойсен-Иенсен (Дания), продолжив опыты Ч. Дарвина, доказал наличие в растении гормона роста. Выделить это вещество из верхушек колеоптилей овса удалось в
1928 г. Ф.В. Венту (Нидерланды). Он назвал его ауксином (греч. аихет — расти). Впоследствии ауксин был обнаружен и в других частях растения. Обнаружение этого вещества в больших количествах в моче животных позволило Ф. Кеглю (Германия) в 1934 г. получить его в кристаллическом виде и определить его химическую природу.
Ауксин — это β-индолилуксусная кислота (ИУК), являющаяся производным индола (С8Н7N). Она синтезируется в растении из аминокислоты триптофана, который дезаминируется, декарбоксилируется, а остаток его окисляется (рис. 1). Три этапа синте за ИУК катализируются тремя ферментами: трансаминазой, декарбоксилазой α-кетокислоты и альдегиддегидрогеназой. Сам триптофан может образоваться из шикимовой кислоты в результате ряда реакций или при распаде белков, в частности, вызванном условиями неблагоприятными для роста. Таким образом, продукты распада белков могут стать материалом для синтеза гормона, который, в свою очередь, вызывает усиление синтеза аминокислот и белков.
ИУК образуется в очень малых количествах. Так, из 10 000 вер хушек колеоптилей овса можно получить лишь 1 мкг ИУК. Коли чество ИУК в растениях колеблется от 1 до 100 мг/кг сырой массы.
У высших растений ИУК синтезируется, прежде всего, в верху шечной меристеме и в прилегающих к ней молодых листочках, в растущих зародышах, семяпочках и семядолях. Меристемы верху шек корней образуют мало ауксина, а запасающие ткани семян и пыльца богаты ею. ИУК синтезируется также у бактерий и грибов.
Из мест синтеза ИУК передвигается в другие ткани и органы. Движение ауксина в стебле и корне полярно, т. е. он передвигается быстрее в одном направлении, чем в другом. Из верхушки стебля ИУК передвигается вниз в побеги, листья и почки, а из меристемы корня — вверх. Скорость его движения 1 см/ч. Латеральное передвижение ауксина происходит в верхуш ках стеблей, корней, колеоптилей по паренхимным клеткам в ответ на действие силы тяжести, одностороннее освещение. Только в не обычных условиях, например при погружении конца черенка в раствор ИУК, ауксин транспортируется по сосудам. Транспорт ИУК происходит как пассивно, так и активно, против градиента концентрации. Он нарушается при недостатке кислорода, тормо жении дыхания.
^ Рис. 1 Биосинтез ауксина
После окончания реакции гормон должен быть разрушен или инактивирован. В растении имеется специальный фермент ИУК-оксидаза,окисляющая гормон с образованием метилен-оксииндола. В результате содержание ИУК в тканях непостоянно. Оно изменяется в зависимости от скорости ее синтеза и разрушения. В корнях активность ИУК-оксидазы высокая, в стебле — низкая, поэтому в стебле высокое содержание гормона. Фермент активируется на свету, в результате освещение уменьшает концентрацию ауксина. Возможно, что это одна из причин торможения роста расте ний днем, замеченного еще Ю. Саксом. По мере старения органа или всего организма активность ИУК-оксидазы увеличивается, поэтому в стареющем органе гормона мало.
Кроме того, ИУК может переходить в неактивное состояние образуя комплексы с сахарами, аминокислотами и другими веще ствами. Такие комплексы могут распадаться, и тогда активности гормона быстро восстанавливается. С помощью комплексов в органе образуется запас гормона.
ИУК может разрушаться под влиянием ультрафиолетовых лу чей (280 нм).
Физиологическое действие. Индолилуксусная кислота стимули рует растяжение клеток. Механизм кислого рост, вызванного ауксином заключается в активации протонных пом, закислении апопласта, снижении прочности клеточной стенки, поступлении воды и растягивании. Вызванное ауксином увеличение поступления воды приводит к быстрому растяжению клетки, уменьшению вязкости цитоплазмы и изменению скорости ее движения, что влияет на скорость химических реакций.
Однако ИУК влияет и на другие фазы роста клетки. Если пасту с гормоном нанести на покоящуюся луковицу, то уже через не сколько дней можно увидеть под микроскопом в чешуе митозы во многих клетках. Ауксин стимулирует синтез ДНК, РНК, белка, об разование микротрубочек и митотического веретена, участвует в дифференцировке сосудов в верхушке стебля и способствует обра зованию проводящей ткани при возобновлении роста весной.
Ускоряя деление клеток, ауксин стимулирует образование при даточных корней у черенков и листьев, а также боковых корней, возникающих из клеток перицикла главного корня, но тормозит образование клубней. Пыльца, попадающая на рыльце цветка при опылении, вызывает синтез ауксина в завязи, под влиянием кото рого начинает быстро расти околоплодник. Рост околоплодника стимулирует и ауксин, вырабатываемый семенами, развивающими ся после оплодотворения.
Гормон влияет на энергетический обмен. У растений, получав ших экзогенную ИУК, почти в 2 раза увеличивается интенсивность фотосинтеза. Под влиянием ауксина в клетке активируются дыха тельные ферменты, в частности аскорбиноксидаза, что приводит к повышению интенсивности дыхания. Кроме того, под влиянием гормона увеличивается количество АТФ в клетке, так как ауксин усиливает сопряжение окисления и фосфорилирования.
В присутствии ауксина увеличивается активность не только дыхательных, но и гидролитических ферментов (карбогидраз, пептидаз, эстераз), что приводит к превращению запасных веществ семени в водорастворимые и легко транспортируемые вещества, посту пающие в зародыш. Результатом этого, в частности, является уве личение количества дыхательного субстрата (глюкозы и других ве ществ), что также усиливает дыхание зародыша и его рост, поэтому ИУК стимулирует прорастание семян.
Под влиянием ауксина активируются кальциевые каналы, нахо дящиеся на плазмалемме, что способствует транспорту воды и пи тательных веществ к месту действия гормона. В этом заключается аттрагирующее действие ИУК: клетки и ткани, обогащенные аук сином, становятся как бы центрами притяжения этих веществ. Это приводит к усиленному росту органов. Таким образом, ауксины определяют направление транспорта веществ в растении.
Регулируя распределение и транспорт веществ, ауксины опре деляют полярность растения. Разными авторами показано, что у об работанных ауксином черенков можно вызвать образование корней на морфологически верхнем конце. Следовательно, ауксины способствуют преодолению полярности.
Асимметричное распределение ИУК вызывает неравномерный рост стеблей, корней, результатом которого являются движения ор гановрастения. С растяжением клеток в субапикальном районе связаны тропизмы. Главная задача растягивающихся клеток - правильно ориентировать растущую верхушку побега в пространстве. При боковом освещении ауксины перераспределяются на теневую сторону, вызывая неравномерное растяжение и наклон в сторону света. Это явление называют фототропизмом. Если побег изменил положение в пространстве (наклонился, повален ветром и т.д.), то ауксины перераспределяются на физически нижнюю сторону. Субапикальная зона изгиба стремится вновь направить рост по вертикали. Это явление получило название гравитропизма (или геотропизма).
ИУК обеспечивает взаимодействие между разными органа ми — корреляции. Например, ауксин из верхушки стебля перемеща ется вниз и подавляет рост пазушных почек -апикальное домини рование. Чем ближе расположены почки к верхушке, тем сильнее ингибирование. С удалением верхушки ток ауксина из нее прекра щается и побег начинает ветвиться.
Уменьшение синтеза ИУК в клетках листьев, цветков и плодов приводит к образованию отделительного слоя в черешке листа или в цветоножке и к опадению этих органов.
2. Гиббереллины
Гиббереллины — это большая группа соединений, открытие ко торых связано с изучением заболевания риса. Было замечено, что у некоторых растений стебель начинал очень быстро расти, и такие растения погибали. Отсюда и название болезни «баканаэ» — беше ные побеги. В 1926 г. Е. Куросава (Япония) доказал, что эту бо лезнь вызывает аскомицет Gibberella fujikuroi, поражающий п
роро стки. Когда через 12 лет выделили вещество, накапливающееся в больных растениях и вызывающее быстрый рост побегов, его на звали гиббереллином (ГК3). В 1958 г. гиббереллины были обнаруже ны и у высших растений. Сейчас известно 110 гиббереллинов, причем более 20 из них — естественные гормоны высших
Рис. 2 Структура гиббереллинов
растений, а остальные встречаются только у грибов. Чтобы различать их, им присвоили определенные номера: ГК1, ГК2, ГК3 и т. д. Наиболее распространен гиббереллин ГК3 — гибберелловая кислота С19Н22О6 (рис. 2). Остальные гиббереллины отличаются от гибберелловой ки слоты в основном структурой боковых цепочек.
По химической природе гиббереллины — это тетрациклические дитерпеноиды, состоящие из четырех остатков изопрена. Синтез гиббереллина происходит одинаково у высших растений и грибов путем превращения мевалоновой кислоты в геранил-гераниол и через каурен в гибберелловую кислоту (рис. 3).
Рис. 3 Синтез гиббереллинов
Хотя основное место синтеза гиббереллинов — молодые листья, а в клетке — пластиды, они обнаружены во всех частях растения: побегах, корнях, листьях, бутонах, пестиках, тычинках, семенах.
Транспорт гиббереллинов в растении не является полярным. Гиббереллины свободно передвигаются из листьев вверх и вниз. Главный путь оттока гиббереллинов из листьев — ситовидные трубки, причем скорость оттока равна скорости передвижения про дуктов фотосинтеза. Радиальный транспорт происходит по паренхимным клеткам со скоростью — 5—20 мм/ч. По сосудам вместе с пасокой гиббереллины транспортируются в связанной фор ме — гиббереллин-глюкозиды. В прорастающем семени гибберел лины передвигаются из щитка в клетки алейронового слоя.
Инактивация гиббереллинов происходит в результате их пре вращения в гиббереллин-глюкозиды и сложные эфиры, которые образуются, например, при созревании семян. При прорастании семян эти эфиры гидролизуются с образованием свободных гиббереллинов. Гиббереллины разрушаются с помощью ферментов, об разующиеся при этом продукты неизвестны.
Физиологическое действие. Наиболее типичное действие гиббе реллинов — это стимуляция роста стебля у карликовых сортов го роха, кукурузы и у розеточных растений. После обработки гормо ном такие растения достигают высоты нормальных сортов. У зла ков после обработки гиббереллином вытягиваются как стебли, так и листья; у широколиственных растений резко усиливается рост стеблей; растение капусты может достичь двухметровой высоты, а кустовая форма фасоли превращается во вьющуюся. Рост стеблей вызван только растяжением клеток. Гиббереллин действует и на эмбриональную фазу роста клетки, а также стимулирует рост сто лонов и задерживает образование клубней.
Гиббереллиновый сигнал от листа передается вставочным меристемам и за счет растяжения междоузлий возникает листовая мозаика.
Гиббереллины ингибируют образование и рост корней, но сти мулируют разрастание завязей, что приводит к образованиюпартенокарпических плодов. Партенокарпия представляет собой процесс, при котором околоплодник начинает расти, хотя оплодотворения не произошло; семена при этом не образуются. Ауксин тоже вызывает образование партенокарпических плодов у некоторых растений. На пример, гиббереллин способен вызвать партенокарпию у косточко вых, которые не чувствительны в данном случае к ауксину. Под влиянием гиббереллинов у растений с разнополыми цветками уве личивается количество тычиночных цветков.
Обработка этим гормоном может нарушить состояние покоя. Перед выходом из состояния покоя гиббереллины накапливаются в семенах, луковицах, почках, клубнях. Они активизируют гидро литические ферменты (например, α-амилазу) и их синтез в зер новках злаков, что вызывает более быстрые превращения запас ных веществ и прорастание семян. Лучше всего этот процесс изучен у злаков (ячменя, ржи, пшеницы), поскольку имеет важное практическое значение для производителей пива.
Зерновка злаков состоит из зародыша, эндосперма и семенной кожуры. Запас питательных веществ сосредоточен в эндосперме в виде крахмала. К моменту созревания зерна крахмалистый слой уже не содержит живых клеток. На
периферии эндосперма остается лишь тонкий слой живых клеток, богатых запасными белками - алейроновый слой. Зародыш злаков контактирует с эндоспермом щитком. При прорастании щиток выделяет гиббереллин. Он означает, что зародыш "проснулся", ему нужны питательные вещества. Гиббереллины диффундируют через зону с крахмальными зернами к алейроновому слою эндосперма. В живых клетках алейронового слоя начинается синтез матричных РНК для ферментов, разрушающих крахмал - амилаз. Белковые гранул (алейрон) растворяются: запасной белок разрушается до отдельных аминокислот. Аминокислоты служат строительным материалом для синтеза амилаз. Эти ферменты поступают из алейронового слоя к крахмальным зернам. Крахмал разрушается до мальтозы и глюкозы, а эти сахара впитывает щиток и передает остальным тканям зародыша. Вот таким длинным путем осуществляется аттрагирующий эффект гиббереллинов.
Процесс разрушения крахмала в семенах злаков очень важен для пивоварения. Чтобы получить пиво, семена ячменя проращивают, выжидают, когда крахмал разрушится, а затем вываривают проростки в кипящей воде. Экстракт упаривают и получают темную сладкую массу - солод. Качество солода зависит от жизнеспособности зародышей и от того, насколько хорошо они вырабатывают гиббереллины. Чем ниже всхожесть семян, тем хуже солод.
Благодаря открытию гиббереллинов можно получать качественный солод из плохо прорастающих семян - достаточно их обработать слабым раствором гиббереллинов, как начнется разрушение крахмала. Сильно ускорился и сам процесс получения солода. Если в старину на это уходило более недели, то сейчас достаточно двух-трех дней.
Гиббереллины ускоряют про растание свежесобранных клубней картофеля.
Один из ярких эффектов гиббереллинов - стимуляция цветения ряда растений. Как правило, уровень эндогенных гиббереллинов повышается при увеличении длины дня. У многих растений умеренных широт цветение контролируется фотопериодом. Виды, цветущие на длинном дне, можно заставить цвести с помошью гиббереллинов.
Гиббереллины усиливают нециклическое фотосинтетическое фосфорилирование, стимулируют работу нижнего концевого двига теля водного тока, что подтверждается увеличением количества вы деляемой пасоки у растений, обработанных гиббереллинами.
3. Цитокинины
Цитокинины открыты в 1955 г. Ф. Скугом (США) в результате интенсивной работы с культурой изолированных клеток. Оказа лось, что если клетки выращивают на питательной среде, содержа щей ауксин и кокосовое молоко (жидкий эндосперм), то они быст ро делятся. Вещество, стимулирующее деление клеток, было обна ружено в автоклавированных препаратах ДНК, выделенных из спермы сельди; его назваликинетином. Кинетин не был обнаружен у растений. Однако было установлено, что вещества со сходной физиологической активностью (зеатин, зеатинрибозид) широко распространены среди растений (рис. 4). Эти вещества получили название цитокининов.
Цитокинины обнаружены в самых различных растительных тканях. Особенно много их в верхушках корней, пасоке, созреваю щих плодах, например томатов, бананов, яблонь, слив, в опухоле вых тканях и в прорастающих семенах, в клубнях картофеля. С возрастом концентрация цитокининов в листьях падает.
Р
ис.4 Цитокинины:
а — кинетин; б— 6-бензиламинопурин (БАП); в — зеатин
Цитокинины — производные аденина, у которого аминогруппа в шестом положении замещена различными радикалами, синтезируются из мевалоновой кислоты и образуются главным образом в кончиках корней, в том числе боковых и прида точных, в корневой шейке. Распространяется цитокинин вверх с ксилемным током. Поскольку ксилема - мертвая ткань, она не может обеспечить ни активного транспорта, ни полярности: для этого нужны живые мембраны. В отличие от ауксинов, цитокинины транспортируются пассивно и неполярно. В 10 мл пасоки, например виноградной лозы, содержится 0,5—1,0 мкг цитокининов.
Цитокинины образуются также в почках, в основании листьев, в созревающих семенах и в зародышевой оси прорастаю щих семян, но эти цитокинины не передвигаются в другие органы. Это означает, что синтез цитокининов происходит в разных участ ках растения в зависимости от этапа онтогенеза. Экзо генные цитокинины не транспортируются по растению, а действу ют в месте обработки.
Поддержание нужной концентрации этих гормонов происходит благодаря соединению цитокининов с глюкозой, а также их превращению в аденин при отщеплении боковой N-цепи с помощью фермента цитокининоксидазы. Цитокининоксидаза — это медьзависимый флавопротеид, обладающий активностью только в присутствии кислорода.
Физиологическая роль. Главные функции цитокининов — сти муляция клеточного деления и дифференцировки, а также задержка процессов старения. Цитокинины стимулируют деление клеток, уси ливая синтез белка и нуклеиновых кислот, активируют рост клеток листьев у двудольных растений, образование клубней.
Цитокинины обладают огромной аттрагирующей способностью, т. е. притягивают ассимиляты (аминокислоты, углеводы) и регуляторные вещества к клеткам и тканям, содержащим большое коли чество этого гормона.
Иногда цитокинины называют гормонами "омоложения" растительных тканей. Если обработать цитокинином лист, готовящийся к листопаду, он еще долго будет оставаться зеленым. Эти гормоны задерживают старение листьев, что легче всего можно увидеть в опытах с изолированными листьями. Когда отре занный лист ставят в воду, старение наступает быстро: хлорофилл разрушается, лист желтеет, в нем усиливается распад белка, РНК. Однако старение листа задерживается, если на черешке образуются придаточные корни, синтезирующие цитокинины. Задержка старе ния связана еще и с тем, что обработка листа, например кинетином, вызывает образование новых тилакоидов гран и стромы в хлоропластах, разрушившихся при старении, усиливает синтез хлоро филла.
У растений, имеющих однополые цветки, обработка экзоген ным цитокинином (6-БАП) вызывает образование большого коли чества пестичных цветков (97 %).
Подобно ауксинам и гиббереллинам цитокинины нарушают покой, например свежеубранных клубней картофеля, активируют прорастание семян.
Цитокинины активируют открывание устьиц, а также работу нижнего концевого двигателя водного тока. Если вода поступает в лист из корня (т.е. обогащена цитокининами), устьица открываются. Если вода поступает из других органов, она бедна цитокининами (богата абсцизовой кислотой) и происходит закрывание устьиц.
В культуре ткани, которая растет на питательной среде, содер жащей все необходимые органические и минеральные вещества, в том числе экзогенный ауксин, цитокинины стимулируют деления клеток, вызывают образование лигнифицированных клеток. Влия ние цитокининов на дифференцировку зависит от соотношения их концентрации с концентрацией ИУК и гиббереллина.
Повышенная концентрация цитокининов говорит растению о благополучном развитии корневой системы. Это означает, что нет необходимости в новых корнях. Т.е. цитокинины подавляют рост боковых корней.
С другой стороны, нужны побеги, которые образуют новые листья и позволят лучше снабжать растущие корни. Под действием цитокининов начинают расти боковые почки на побегах. Таким образом, цитокинины снимают апикальное доминирование, вызванное ауксинами.
Ауксины и цитокинины - антагонисты в процессе регуляции развития боковых почек. Однако, в другом процессе - клеточных делений - они синергисты (т.е. их совместное действие усиливается).
Цитокинины способствуют росту бессемянных плодов. Ситуация очень напоминает соответствующий эффект ауксина. В молодом зародыше очень рано появляется корневой полюс, который начинает синтезировать цитокинины. Плод с семенами содержит больше цитокининов, чем бессемянный. При добавлении цитокининов извне, растение считает, что в бессемянном плоде зародыши есть и проявляется аттрагирующий эффект.
4. Абсцизовая кислота
Абсцизовая кислота была открыта в 1963 г. в результате двух независимых исследований. Одна группа ученых во главе с Эддикоттом (США) изучала соединения, которые усиливают опадение (англ. abscission) листьев, а другая под руководством Уоринга (Англия) — покой древесных растений. В результате обоих иссле дований было получено вещество, индуцирующее листопад и пе реход к покою. Его назвали абсцизовой кислотой (АБК).
АБК содержится в корнях, стеблях, почках, листьях, плодах, во флоэмном и ксилемном соке, в нектаре, но особенно много ее в покоящихся почках, семенах, клубнях. Большинство тканей содержит АБК от 20 до 100 мг/г сырой массы. Количество АБК быстро увеличивается во время засухи, в условиях засоления и при недостатке азота.
Абсцизовая кислота — соединение терпеноидной природы. Как и гиббереллины, она синтезируется из мевалоновой кислоты, а также из продуктов распада ксантофиллов. Основными органа ми ее синтеза являются стареющие листья. Она накапливается в хлоропластах, хотя синтезируется в цитозоле. Абсцизовая кислота может синтезироваться и в других органах, например в корнях, плодах.
Транспортируется АБК по сосудам и ситовидным трубкам вверх и низ во все органы. АБК, синтезируемая в корневом чехлике, передвигается базипетально по проводящим тканям центрального цилиндра. Она может передвигаться и латерально по паренхимным клеткам под действи ем силы тяжести. Экзогенная АБК быстро проникает в ткани и свободно распространяется по растению во всех направлениях.
^ Физиологическая роль. АБК тормозит все процессы роста: задер живает растяжение и деление клеток у молодых проростков и в культуре ткани (антикининовое действие); ингибирует распускание почек (антигиббереллиновое действие); тормозит вызванный ИУК
рост колеоптилей овса, прорастание этиолированных зародышей пшеницы; подавляет индуцирован ный гиббереллином синтез α-амилазы в алейроновом слое ячменя. Накопление АБК вызывает покой у семян некоторых растений. Под влиянием короткого дня в листьях, например березы или клена, синтезируется больше АБК, которая транспортируется в почки и вызывает переход их в покой. АБК продолжает действовать на почки в течении всего лета. Заканчивается ее действие у разных растений в разное время. У деревьев умеренной зоны действие АБК прекращается в зимние месяцы. У конского каштана действие АБК прекращается осенью, поэтому в теплую осень почки, освободившиеся от абсцизинов, открываются и деревья повторно цветут. У других растений высокое содержание АБК держится до заморзков, а то и до января-февраля. Только тогда АБК может начать разрушаться.
Разрушению АБК препятствует низкая температура воздуха. Физиологи говорят, что наступила фаза вынужденного покоя. Вынуждают покоится растение неблагоприятные внешние факторы (низкая температура или недостаток воды). Как только их действие ослабеет, АБК разрушается и начинается видимый рост. Поэтому во второй половине зимы почки охотно распускаются если перенести растения в теплое помещение.
АБК играет роль антитранспиранта. Во время засухи уменьшение величины водного потенциала клеток листа вызывает значи тельное увеличение проницаемости мембран хлоропластов для за пасенной в них АБК. Она диффундирует в цитозоль и по симпласту перемещается к замыкающим клеткам устьиц. Уменьшение ко личества АБК в хлоропластах вызывает новый синтез ее и транс порт к замыкающим клеткам. АБК продолжает поступать в замы кающие клетки до тех пор, пока водный потенциал остается низ ким. Накопление абсцизовой кислоты в замыкающих клетках при водит к немедленному закрыванию устьиц, особенно в условиях за сухи, что уменьшает транспирацию. В этих условиях содержание АБК в среднем увеличивается на порядок со скоростью 0,15 мкг/г сырой массы в час. Под влиянием высоких концентраций АБК происходит перенос ионов калия из замыкающих в примыкающие клетки эпидермы. В результате в замыкающих клетках падает вод ный потенциал и устьичная щель закрывается. Освобождение АБК из хлоропластов клеток мезофилла останавливается, когда водный потенциал достигает нормы; уровень синтеза АБК тогда снижается.
АБК также способствует запасанию гидратной воды в клетке, так как активирует синтез оксипролина, увеличивающего оводненность белков в условиях засухи. В клетке повышается концентрация осмотически активных веществ. Осмотическое давление увеличивается, а это препятствует потере воды. Если в окружающей среде есть вода, она начинает активнее поступать в клетку. Кроме этого в клетках появляется небольшой белок, способный образовать особенно много водородных связей с водой. Известно, что вода из водяных "шуб", в которые одеты макромолекулы, испаряется очень неохотно. Маленький белок назван осмотином.
В ответ на АБК в клетке синтезируются полиамины (спермидин, путресцин). Эти вещества обладают положительным зарядом за счет протонированных атомов азота. Молекулы ДНК и РНК заряжены отрицательно, поэтому они легко ассоциируются с молекулами полиаминов. Комплексы нуклеиновых кислот с полиаминами более устойчивы как к изменению ионной силы, так и к обезвоживанию. Синтез новых ДНК и РНК под действием АБК прекращается, клетка переходит в состояние покоя.
Под влиянием высоких концентраций АБК увеличивается проницаемость клеток корня для воды. Следовательно, АБК улучшает поступление воды в корни и затрудняет расход воды листьями, что приводит к улучшению водного баланса в условиях засухи. Другими словами, абсцизовая кислота уменьшает работу верхнего и стиму лирует работу нижнего концевого двигателя водного тока.
Закрывание устьиц под действием абсцизовой кислоты вызыва ет уменьшение интенсивности фотосинтеза в 2—4 раза. Кроме того, АБК разобщает окисление и фосфорилирование, т. е. являет ся антагонистом гиббереллинов и цитокининов. Разобщение окис ления и фосфорилирования приводит к уменьшению синтеза АТФ, а следовательно, к уменьшению интенсивности темновой фазы фо тосинтеза, что и является в конечном счете причиной торможения ростовых процессов. Торможение роста может быть также следст вием ингибирования синтеза РНК и уменьшения проницаемости мембран для веществ под влиянием АБК.
От концентрации АБК зависит изгибание корней вниз у гори зонтально расположенных растений (положительный геотропизм). Она участвует вклубнеобразовании, стимулирует опа дение семядолей, листьев у хлопчатника, а также опадение цветков и зрелых плодов у винограда, маслин, цитрусовых и яблок (антиауксиновое действие). АБК стимулирует созревание молодых пло дов, увеличивает устойчивость растений умеренного климата к морозам, например яблонь, люцерны, ясенелистного клена.
АБК регулирует форму листьев у некоторых растений. Так, многие водные растения после того, как достигнут поверхности воды, развивают листья принципиально отличные от водных. Подводные листья довольно тонкие, со слабо развитой механической тканью, без устьиц. Газообмен с водной фазой происходит по всей поверхности листа - он обычно не покрыт восковым слоем кутикулы. Оказавшись в воздушной среде, подводный лист гибнет.
Надводные листья более прочные, покрыты кутикулой и имеют устьица для газообмена с воздухом. Под водой эти листья не справляются с газообменом, поскольку устьица в этих условиях сжимаются окружающими клетками эпидермиса.
Условия воздушной среды более засушливые, чем условия под водой. Поэтому как только точка роста оказывается над водой в ней повышается содержание АБК. Меристема начинает образовывать надводные листья. Если поместить растение в аквариум с раствором АБК, меристема решит, что ее "вынули" из воды и начнет образовывать воздушные листья.
5. Этилен
Этилен был открыт в 1901 г. русским физиологом Д.Н. Нелюбовым. Гуляя по вечерам, он обнаружил, что деревья, растущие около газовых фонарей, быстрее сбрасывали листья. В состав газа, ис пользовавшегося тогда для освещения улиц, входил этилен.
Этилен встречается во всех тканях в незначительных количест вах, которые в большинстве случаев ниже пороговой концентра ции. Однако в зрелых плодах его образуется так много, что незре лые плоды, например бананов, помещенные в полиэтиленовый ме шок вместе со спелыми апельсинами, быстро созревают.
Этилен (СН2 = СН2) — это газ; отличается от других гормонов очень большой летучестью. Он хорошо растворим в воде, поэтому может транспортироваться в водном растворе. Однако считают, что в основном он действует там, где образуется, поэтому не переме щается по растению на большие расстояния.
Этилен образуется в плодах, цветках, листьях, облиственных стеблях, корнях и семенах. Его способны синтезировать все ткани покрытосеменных. Однако в наибольшем количестве этилен образуется в стареющих или созревающих тка нях, в тканях, которые быстро делятся или растягиваются. Зрелые ткани синтезируют его значительно меньше. Однако ткани всех возрастов способны продуцировать много этилена в ответ на ранение, дефицит воды, высокие и низкие температуры, ультрафиоле товое облучение.
Этилен синтезируется из метионина. Промежуточным продук том является 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота (АЦК) (рис.5), образование которой зависит от концентрации кисло рода. Фермент, ответственный за ее синтез, не образуется в анаэробных условиях. Образование этилена стимулируют ауксин и цитокинины.
Рис. 5 Биосинтез этилена
Этилен легко окисляется. Окисление этилена до этиленгликоля
(НОСН2—СН2ОН) под действием КМпО4 используется для удаления его из атмосферы контейнеров, в которых транспортируются плоды и цветы. Удаление этилена снижает скорость созревания транспортируемых плодов и раскрывания цветков.
Физиологическая роль. Этилен в норме абсолютно необходим для созревания плодов, синтезируясь в клетках самого плода. Для начала созревания его концентрация должна увеличиться в три раза. Если существенно уменьшить его биосинтез, то можно значи тельно удлинить сохранность плодов и избежать таким способом перезревания и загнивания фруктов и овощей.
Этилен - гормон механического стресса. Выделение этилена тесно связано с механическим воздействием на клетки растений. Например у проростка, пока он не достиг поверхности, нужно защищать нежные клетки верхушечной меристемы от повреждения. Поэтому происходит изгиб и образование апикальной петельки. Сквозь почву растет не меристема, а более прочный нижележащий участок. Когда на пути проростка появляется механическое препятствие (камень), проросток выделяет больше этилена, рост в длину приостанавливается и начинается утолщение. Проросток стремится преодолеть препятствие, усилив давление. Если это удалось, концентрация этилена падает и рост в длину восстанавливается. Но если препятствие слишком крупное, то продукция этилена еще больше усиливается. Проросток отклоняется от вертикали и огибает камешек. В воздушной среде концентрация этилена падает, проростки разгибают апикальную меристему и начинается развитие листьев.
Этилен стимулирует увядание цветков, опадение листьев и плодов, так как он ингибирует синтез и передвижение ауксина, подавляющего опадение и вызывает образование отделительного слоя в основании черешка или цветоножки, т.е. этилен регулирует явление листопада.При опадании листьев образуется очень много открытых ранок в местах прикрепления. Чтобы лист отделился без вреда для целого растения, в его основании формируется отделительный слой. Его работа практически идентична работе раневой перидермы. Место будущего повреждения закрывается пробкой, вышележащая ткань разрыхляется и становится непрочной, лист опадает. Под действием этилена расположенные здесь клетки увеличиваются в размерах, в них синтезируются целлюлаза и пектиназа, разрушающие клеточные стенки. В результате связь между клетками ослабевает и лист или цветок опадают. Получение трансгенных декоративных растений (петунии) с пониженным синтезом этилена приводит к увеличению продолжительности жизни цветков в 3—4 раза.
Этилен способствует заживлению ран. Многие растения образуют млечники, которые содержат латекс (натуральный каучук). Однако каучук не "застывает" внутри млечников. Но стоит растение повредить, на поверхность выступает латекс, который быстро твердеет и закупоривает место повреждения. Латекс склеивает споры грибов и бактерий, застывает в ротовом аппарате насекомых или приклеивает их к капельке выступившего каучука. Латекс застывает под действием этилена. Кроме того, под действием этилена активизируется особая ткань - раневая перидерма. Образуется пробковый камбий, который образует слой суберинизированной пробки, отделяющей здоровую (живую) ткань от больной (мертвой). Пробка высоко гидрофобна, что позволяет эффективно пресечь распространение грибов и бактерий, попавших в рану, предохраняет здоровую ткань от чрезмерного испарения. Размеры и место образования раневой перидермы отличаются у разных растений. У фасоли активизируется раневая перидерма в основании листовой пластинки, и растение жертвует поврежденной частью сложного листа во имя безопасности целого растения.
Этилен вызывает эпинастию у листьев и лепестков. Эпинастия — это быстрый рост верхней стороны органа, в результате которого лист или лепесток изгибаются книзу. Поэто му этилен используют для ускорения раскрывания цветков. Опускание листьев под действием этилена уменьшает транспирацию.
Этилен тормозит рост главного и стимулирует образование боко вых корней, зацветание ананаса, увядание цветков у некоторых растений; вызывает образование аэренхимы и придаточных корней у злаков при затоплении растений, что помогает растениям пере нести возникающий в этих условиях недостаток кислорода (ги поксию).
Этилен может вызвать прорастание в темноте семян, нуждаю щихся в свете для выхода из состояния покоя.
6. Фузикокцин.
К природным регуляторам роста относится и фузикокцин, открытый как токсин, выделяемый патогенным грибом ^ Phusicoccum amygdali. Сейчас из вестно более 15 соединений этой группы, которые обозначаются буквами: А, В, С и т. д. Фузикокцины широко распространены в природе. Кроме грибов, они встречаются в клетках водорослей, мо ховидных, папоротниковидных и даже животных.
По химической природе, фузикокцины относятся к терпеноидам. Основной фузикокцин цветковых растений обозначается бук вой А и представляет собой дитерпен с молекулярной массой 680 и формулой С36Н56О12. В клетках высших растений его со держится 10-5—10-8 г/кг сырой массы.
Фузикокцин по своему действию на клетки похож на ауксин. Он стимулирует растяжениеклеток корней, стеблей, колеоптилей, листьев, причем даже активнее, чем ИУК, а такжепрорастание се мян, например пшеницы. Фузикокцин вызывает открывание усть иц в присутствии и в отсутствие света (антагонист АБК). Это свя зано с тем, что он активирует работу Н+-АТФазы и калиевых кана лов на плазмалемме. Под действием фузикокцина протоны выбра сываются из клетки в ее свободное пространство, а в клетку посту пают осмотически активные вещества (ионы, сахара и др.). Кроме того, фузикокцин стимулирует транспорт в клетки ионов кальция, хлора, глюкозы, аминокислот, а также дыхание клеток и корнеобразование.
Одной из наиболее важных функций фузикокцина является его антистрессовое влияние. Он повышает всхожесть семян при повы шенных и пониженных температурах, избыточном увлажнении, при засолении. Замачивание семян в растворе фузикокцина (0,68 мг/л), а также опрыскивание им в фазу кущения растений озимых пше ниц, ржи или ячменя (0,34 мг/л) повышает их морозоустойчивость благодаря лучшему развитию фотосинтетического аппарата у обра ботанных растений и накоплению ими большего количества сахаров в клетках. Лучше развивается и эндоплазматический ретикулум. Фу зикокцин защищает растения риса при засолении, повышает устой чивость клубней картофеля к некоторым заболеваниям.
7. Брассиностероиды.
В науке долго существовала точка зрения, согласно которой растения отличаются от животных тем, что у них нет стероидных и полипептидных гормонов. Однако, зная важную роль стероидных гормонов в организме животных и человека, предполагали, что стероидные гормоны должны быть и у растений.
В 1970 г. Дж. Митчелл с сотрудниками выделили из пыльцы рапса ^ Вrassica napus новое вещество, интенсивно стимули рующее рост растений фасоли, и назвали брассинолидом от родово го латинского названия рапса. Установить химическую природу данного вещества (С28Н48Об) удалось лишь в 1979 г. М.Д. Грови, когда из 40 кг собранной пчелами пыльцы выделили в чистом виде 4 мг этого вещества (рис. 6). Его структура доказывает сходство стероидных гормонов растений и животных.
Позже были обнаружены и идентифицированы другие стероид ные вещества, обладающие гормональным действием. Сейчас из вестно 28 таких соединений. Новые гормоны, имеющие стероид ную природу, назвали брассинами, или брассиностероидами.
Стероиды входят в класс терпеноидов, к которым отно сятся гиббереллины, абсцизовая кислота и фузикокцин. Кроме пыльцы, брассиностероиды присутствуют в листьях, стеблях,
Р
ис. 6. Брассиностероиды
незрелых семенах, галлах. В настоящее время эти гормоны обнаруже ны не только у цветковых растений, но и у зеленых водорослей, го лосеменных.
Сопоставляя действие брассиностероидов и ауксинов оказалось, что при сходном ростстимулирующем действии эффективность брассинолида усиливалась в присутствии ауксина. Однако брассинолид в отличие от ауксина не подавляет пробуждения пазушных почек, а подавляет образование придаточных корней.
Ряд симптомов действия брассинолида на растения сходен с реакциями на этилен. К ним относятся набухание и искривление междоузлий.
Способность брассинолида резко стимулировать рост в длину не только отрезков, но и интактных растений наводит на мысль о его сходстве с гибереллинами. При совместном применении действии было аддитивным. При этом в присутствии брассинолида рост не подавлялся ретардантами. В то же время брассинолид не задерживал, а даже ускорял старение листьев.
Предполагают, что брассиностероиды повышают устойчивость растений к низким и высоким температу рам, дефициту влаги в почве и воздухе.
8. Другие гормоноподобные вещества
Пептидные гормоны. В 1991 г. у растений был обнаружен пер вый пептидный гормон, получивший название системина. Систе мины представляет собой полипептид, состоящий из 18 аминокис лот. Как и большинство пептидных гормонов животных, он обра зуется из своего предшественника — просистемина, молекула кото рого содержит 200 аминокислотных остатков.
Впервые системин был выделен из листьев молодых растений томатов. Позднее его обнаружили в картофеле, перце и некоторых других растениях. Молекулы системинов из растений разных видов несколько отличаются по строению, но функционируют одинаково. Как и другие гормоны растений, системны проявляет биологи ческую активность в очень малых концентрациях: 10-15 М.
В отличие от ранее известных гормонов системин не является гормоном, непосредственно регулирующим рост растений. Он «запускает» системы растения, защищающие его от патогенов, повышает устойчивость к заболеваниям. Системин отвечает за системный ответ на механическое повреждение и проникновение патогенов в растение: индуцирует синтез ингибиторов протеиназ и фитоалексинов. В результате иммунный ответ наблюдается не только в месте повреждения, но и все растение в целом становится устойчивым к инфекции (системная устойчивость).
9. Негормональные регуляторы роста
Гормоны — не единственные факторы, которые находятся в растении и могут оказывать сильное влияние на рост. Кроме них, в растениях имеются природные соединения негормональной приро ды, регулирующие рост. Это некоторые фенолы, фенолкарбоновые кислоты, обладающие ауксиновой активностью, производные мо чевины, которым присущи свойства цитокининов, и некоторые ви тамины (тиамин, аскорбиновая и никотиновая кислоты).
Фенольные ингибиторы. При изучении прорастания семян раз ных растений были открыты вещества, тормозящие этот процесс. Затем их обнаружили в семенной кожуре, околоплоднике, в орга нах, переходящих в состояние покоя. К ним относятся нарингенин, кумарин, скополетин, хлорогеновая кислота, коричная, феруловая, ванилиновая, кофейная, кумаровая кислоты, ванилин и дру гие соединения фенольной природы (рис. 7). Отсюда их назва ние — фенольные ингибиторы. В отличие от гормонов они действу ют в концентрациях в 100—1000 раз больших, не транспортируются по растению и образуются из аминокислот — триптофана, фенилаланина, метионина, аланина.
Рис. 7. Фенольные ингибиторы роста
Фенольные ингибиторы накапливаются в тканях в период тор можения роста. Вызванная ими задержка роста лишь временная, растение или орган остаются живыми и при снижении количества ингибиторов в клетках снова способны возобновить свой рост. Увеличение количества этих веществ происходит и в процессе ста рения растения. Растения могут выделять их в почву, где тормозят рост растений того же или других видов, конкурирующих с ними. Так, например, гваюла подавляет рост соседних конкурирующих с ней растений при помощи коричной кислоты.
Природные ингибиторы подавляют растяжение клеток, тормо зят образование корней и процессы, связанные с распусканием по чек и прорастанием семян. Некоторые из них, например кумарин, разобщают окисление и фосфорилирование в митохондриях, а на свету нарушают и фотосинтетическое фосфорилирование. Уменьшение количества АТФ в клетках является одной из главных при чин торможения роста. Под влиянием этих веществуменьшается синтез ИУК и ускоряется ее распад, так как они стимулируют ак тивность ИУК-оксидазы; в результате активность ИУК может сни зиться до нуля.
Ауксины и фенольные ингибиторы имеют общего предшественника — шикимовую кислоту, поэтому в условиях бы строго синтеза ингибиторов новообразование ауксинов подавлено. Они также ингибируют образование гиббереллинов и цитокининов. Кумарин по давляет работу и верхнего, и нижнего концевого двигателя водного тока, поэтому одновременно уменьшается скорость выделения па соки и интенсивность транспирации.
Синтетические регуляторы роста. Регуляторами роста растений являются как природные вещества, так и синтетические препара ты, применяемые при обработке сельскохозяйственных культур.
После открытия первого гормона — ауксина — большое внима ние уделяли изучению связи между его химической структурой и физиологической активностью. Это позволило синтезировать искус ственные аналоги ИУК: индолилмасляную кислоту (ИМК), дихлорфеноксиуксусную кислоту(2,4-Д), нафтилуксусную кислоту (НУК) и др. Некоторые синтетические соединения имеют большую физиологи ческую активность, чем природный ауксин.
К синтетическим ингибиторам, используемым для обработки растений, относятся уничтожающие сорняки гербициды; задержи вающие передвижение ИУК по растению антиауксины (трийодбензойная кислота, дихлоранизол, нафтилметилпропионовая кислота); ретарданты,уменьшающие длину и увеличивающие толщину стеб лей (ССС, АМО-1618, В-9); морфактины (флуоренол, хлорфруоренол), нарушающие процессы в точках роста и вызывающие таким способом появление уродливых органов; гидразид малеиновой ки слоты, приостанавливающий рост всех органов. В отличие от при родных синтетические ингибиторы более резко подавляют рост, медленнее инактивируются в тканях.
10.Взаимодействие гормонов
Раньше думали, что регуляция роста каждого органа происходит под действием своего гормона, поэтому исследователи долго пыта лись найти в растении специальные вещества: «листообразователи», «корнеобразователи», «цветообразователи» и др. Теперь доказано, что в основе регуляции роста каждого органа лежит система одних и тех же веществ. Однако для нормального роста необходимо не про сто присутствие гормонов, а ихопределенное соотношение.
Интересные результаты были получены в опытах по выращива нию каллусов табака на питательной среде с различными соотно шениями ауксина, цитокинина и гиббереллина: 1) без гормонов каллус растет плохо; 2) только с ИУК клетки растягива ются; 3) цитокинин и ИУК вызывают рост и дифференцировку; 4) низкое соотношение цитокинин/ИУК — рост и дифференциров ку с образованием корней; 5) высокое соотношение цитоки нин/ИУК — рост и дифференцировку с образованием почек; 6) низкое соотношение цитокинин/гиббереллин — рост и диффе ренцировку с образованием тонких этиолированных растений с уз кими листьями; 7) высокое соотношение цитокинин/гиббереллин — рост и дифференцировку с образованием коротких зеленых растений с округлыми листьями. Следовательно, в растительном организме в результате взаимодействия гормонов друг с другом формируется растение, привычное для нашего глаза.
Действие одних гормонов часто антагонистично действию дру гих, причем в разных органах гормоны ведут себя по-разному:
Для каждой формы роста один из фитогормонов можно рас сматривать как доминирующий, а другие — как дополнительные. На пример, при прорастании семени доминируют гиббереллины, аук сины, отчасти цитокинины; эндогенных ингибиторов очень мало. Во время роста корня доминирует ауксин; ингибирующих этот процесс веществ тоже мало.
Итак, характер и тип роста зависят от соотношения в тканях гормонов, стимулирующих и ингибирующих данный ростовой про цесс. Это соотношение регулирует само растение. Способы регуля ции могут быть следующими:
- Во-первых, гормон может дерепрессировать соответствующий ген.
- Во-вторых, разные гормоны имеют общих предшественников. Например, гиббереллины, цитокинины, фузикокцин, АБК, брассиностероиды синтезируются из мевалоновой кислоты; ИУК, этилен — из аминокислот (триптофана, фенилаланина, метионина, аланина). Поэтому между гормонами возникают конкурентные отношения; в результате в зависимости от условий (длины дня, температуры, влажности) из вещества-предшественника образуется один или другой гормон. Может образоваться больше абсцизовой кислоты или больше ауксина, гиббереллина. Образование и накопление одного гормона вместо другого приведет к изменению характера ростовых процессов.
Один гормон может стимулировать или ингибировать синтез другого гормона. ИУК и гиббереллины стимулируют синтез этилена, цитокинины — синтез ИУК, гиббереллинов и этилена, но ингибируют образование АБК. Этилен стимулирует синтез АБК и
тормозит синтез ИУК. Гиббереллины стимулируют синтез ИУК.
Реакция клетки на действие гормона зависит прежде всего от ее компетентности. Различные клетки компетентны по-разному. Например, ИУК не стимулирует растяжения клеток листа, а цитокинины — клеток колеоптиля. Экзогенная ИУК вы зывает образование придаточных корней у стеблевых и листовых черенков, а нанесенная на верхушку стебля или корня — подавляет ветвление стебля или образование боковых корней. Молодые клет ки обычно более чувствительны и гораздо сильнее реагируют на обработку гормонами, чем взрослые, а старые — нередко совсем не реагируют.
В онтогенезе происходит изменение реакции на действие гор мона. Так, меристематические клетки конуса нарастания под дей ствием ИУК начинают активнее делиться. Когда же образовавшие ся из них дочерние клетки достигнут размера материнской клетки и перейдут в фазу растяжения, то ИУК «заставляет» их растяги ваться. Таким образом, гормоны в зависимости от состояния кле ток могут оказывать на них различное действие. Это необходимо помнить при обработке растений гормонами.
Ответная реакция клетки зависит не только от присутствия в клетках других гормонов, но и от концентрации данного гормона. Разные органы обладают разной чувствительностью к концентра ции гормона. Стебли менее чувствительны, например, к ИУК, чем корни. Для стеблей оптимальной концентрацией является 10-5 моль, а для корня — 10-11.
Один и тот же гормон в разной концентрации может стимули ровать или ингибировать рост. Например, поступление ИУК из верхушечной почки в пазушные тормозит их рост из-за того, что в этих почках уже есть свой ауксин, в результате повышение кон центрации гормона вместо растяжения клеток вызывает его торможение. Однако некоторые авторы считают, что сам ауксин только стимулирует рост, но в тканях стебля, когда его концентрация увеличивается выше критической, начинается выделение этилена, ингибирующего рост. Таким образом, подавление роста, имеющее место в данных тканях при достижении ауксином опре деленного уровня, зависит от ингибирующего действия этилена, превосходящего стимулирующее действие ауксина.
Содержание гормонов в клетках изменяется под влиянием внешних условий, в которых находится растение: температуры, каче ства и интенсивности света, фотопериода, минерального питания, обеспеченности водой. Синтез гормонов связан с общим обменом веществ и пре жде всего с фотосинтезом и дыханием. Предшественники гормо нов: аминокислоты и мевалоновая кислота — образуются соответственно из органических кислот — промежуточных продуктов ды хания или фотосинтеза, и из ацетил-КоА.
11. Рецепторы, механизм действия гормонов
Для того чтобы гормон мог вызвать ответную реакцию клетки, нужен соответствующий рецептор.
Уже более 10 лет назад был детально охарактеризован рецептор ауксина. Ауксин, соединяясь с рецептором, активирует протонный насос. В результате увеличи вается выброс ионов водорода из клетки в периплазматическое пространство и происходит подкисление клеточной стенки. Благо даря обратному транспорту ионов кальция активируются ферменты, разрыхляющие стенку, которая становится более эластичной и под влиянием тургорного давления растягивается. Для ее роста не обходимы полисахариды. Помимо влияния на мембранном уровне ИУК активирует экспрессию различных групп генов, которые ко дируют ферментные белки, участвующие в деградации и новообразовании клеточной стенки. Растяжение клеточной стенки сопрово ждается включением в ее состав вновь синтезированных веществ.
В последние годы открыты рецепторы этилена и цитокининов, ко торые по своей структуре оказались очень близкими. Открытие этих рецепторов стало возможным, во-первых, благодаря получе нию мутантных растений арабидопсиса, не реагирующих на эти гормоны, и, во-вторых, благодаря полному секвенированию генома этого растения. Секвенирование — это определение первичной последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Арабидопсис итальян ский — небольшое высшее растение, имеющее очень маленький ге ном (всего лишь 5 пар хромосом) и короткий жизненный цикл. Его используют в качестве модельного растения и иногда называют «растительной дрозофилой». Последнее название указывает на ог ромные преимущества этого объекта перед другими, традиционно используемыми учеными для изучения фундаментальных проблем экспериментальной биологии.
Рецепторы этилена и цитокининов представляют собой специ альные ферменты гистидинкиназы (фосфотрансферазы. Это ферменты, спо собные переносить остатки фосфорной кислоты на гистидин белка. Обычно в качестве донора фосфатной группы используется АТФ.
Гистидинкиназа, являющаяся рецептором цитокининов, пред ставляет собой высокомолекулярный (120 кДа) трансмембранный белок. Внешняя (внеклеточная) ее часть взаимодействует с цитокинином, а внутренняя (внутриклеточная) — отвечает на это взаимо действие фосфорилированием гистидина Н459 (т. е. гистидина, занимающего в полипептидной цепи 459-е место от ее N-конца). Далее остаток фосфата с гистидина переносится на остаток аспартата D973 располагающийся в С-концевой области этого белка. Затем актив ный фосфат способен переходить через посредники (мессенджеры) на другие белки-регуляторы ответа (RR-белки), ответственные за ак тивность соответствующих генов. Регулятор ответа активизируется и активирует (или репрессирует) соответствую щие группы генов, что стимулирует (или ингибирует) синтез опреде ленных ферментов. Начало или окончание синтеза определенного белка и является ответной реакцией на действие гормона.
Рецептор этилена тоже является гистидиновой протеинкиназой. Его открытию помогло обнаружение в клетках мутантных растений арабидопсиса гена ЕТR1 (англ. Ethylene-resistant 1), кодирующего рецептор этилена. Опыты с дрожжевыми клетками показали, что, получив этот ген, клетки начинают связывать этилен.
Рецептор этилена представляет собой белковую молекулу, по липептидная цепь которой содержит 3 гидрофобных участка, сле довательно, она трижды пересекает плазмалемму. N-конец этой цепи находится в периплазматическом пространстве клетки (вне клеточная часть) и к нему присоединяется этилен. Связыванию этилена с рецептором способствуют ионы меди. С-конец этой цепи находится в цитозоле. Результатом восприятия сигнала является фосфорилирование остатка гисти дина цитозольного конца. Затем фосфатный остаток переносится на ос таток аспарагиновой кислоты RR-белка.
Итак, связывание гормона с поверхностным рецептором — это начало передачи (трансдукции) сигнала. Молекула гормона должна образоватькомплекс с рецепторной частью сенсорного белка, по этому для каждого гормона нужен свой рецептор. Поступивший сигнал (присутствие гормона) с помощью вторичных мессенджеров многократно усиливается и передается на системы клеточного ответа (аденилатциклазная, МАР-киназная, фосфатидатная, кальциевая, липоксигеназная и др.). Ответной реакцией является активация определенного гена и синтез кодируемого им белка, что вызывает начало роста, его пре кращение или дифференцировку клетки.
12.Получение и применение гормонов
ИУК и этилен легко синтезируются химически, что является главным источником их получения. Ауксины имеют много синте тических аналогов и производных: ИМК, НУК, 2,4-Д, которые широко применяются. Бензиламинопурин (БАП) — синтетический цитокинин, который тоже получают химическим синтезом.
Природные гиббереллины, цитокинины и АБК не производят искусственным синтезом, а получают из культуры грибов. Для получения гиббереллинов широко используется Fusarium moniforme, а цитокинины и АБК продуцирует гриб ботридис. Вообще грибы производят все природные гормоны, но этот способ получения до роже химического синтеза, хотя имеет свои преимущества. В гри бах образуется намного больше гормонов, чем в клетках растений, что можно показать на простом примере. При выращивании гри бов в искусственных условиях в питательную среду не добавляют гормоны. Кроме того, в клетках грибов не происходит окисления или связывания гормонов с сахарами, белками. Клетки грибов вы деляют «лишние» гормоны в питательную среду, на которой растут и из которой их можно довольно легко экстрагировать.
Каллусы, полученные из клеток стебля, корня или листа, тоже способны синтезировать ИУК, причем ее количество увеличивает ся, если добавить в питательную среду триптофан.
Использование фитогормонов, синтетиче ских стимуляторов и ингибиторов роста в сель ском хозяйстве помогает человеку управлять ростом растений и благодаря этому получать более высокие урожаи.
Для обработки растения экзогенными гормонами используют раз ные способы. Очень часто применяют пасту, приготовленную путем растирания небольшого количества гормона с ланолином. Ею смазы вают, например, поверхность стебля или его срез. Применяют водные растворы гормона очень слабой концентрации: срезанные побеги рас тений помещают нижним концом на некоторое время (от 3 до 18—24 ч) в эти растворы или опрыскивают ими отдельные органы.
Для успешного применения гормонов необходимо помнить: во-первых, экзогенные гормоны оказывают действие лишь тогда, когда в растении недостает эндогенных гормонов. В некоторых случаях условия внешней среды неблагоприятны для синтеза гор монов в тканях, тогда их дефицит можно компенсировать экзоген ными гормонами. Если в клетках растения много эндогенных аук синов, то обработка экзогенным гормоном может не дать результа та или, наоборот, привести к обратному действию. Во-вторых, клетки должны быть компетентны к гормонам. Восприимчивость связана с общим состоянием клетки. На одной фазе роста клетка может быть восприимчива к введению данного гормона, а на дру гой - нет. Компетентность клетки определяется наличием в ней соответствующих рецепторов.
Практическое применение ауксина и его синтетических аналогов.
-Метод искусственного укоренения черенков. Ауксины используют при вегетативном размножении трудноукореняемых видов деревь ев. У таких деревьев черенки содержат мало эндогенных ауксинов, поэтому погружение черенков на 3—24 ч в водный раствор ИУК (50—200 мг/л) ускоряет корнеобразование. Для этой цели исполь зуют также ИМК (20—100 мг/л), 2,4-Д (3—5 мг/л); при использова нии ИУК укореняются даже листья. Исходя из закона количества раздражения, можно или увеличить концентрацию раствора, со кращая время обработки, или наоборот. В большинстве случаев лучше удлинять время обработки, уменьшая концентрацию гормо на. Метод искусственного укоренения имеет огромное значение в мировой практике: созданы современные высокодоходные планта ции деревьев кофе, какао, гевеи, цитрусовых.
-Борьба с сорняками. Все синтетические аналоги ауксина сильно действующие. При использовании их в более высоких концентра циях (например, 0,1 %) они вызывают повреждения и даже гибель растений. Причем разные растения обладают различной чувствительностью к действию этих веществ. В частности, злаки почти не страдают при опрыскивании их растворами такой концентрации, которая убивает двудольные растения, на чем и основано их применение для борьбы с сорняками. С этой целью часто используют 2,4-Д. Под его влиянием у двудольных растений нарушается гео- и фототропизм: вертикальные стебли наклоняются, растение не поворачивается к свету, появляются гипонастии и эпинастии, изменяется соотношение процессов распада и синтеза веществ (в листьях и стеблях накапливаются сахара, а синтез азотистых веществ подавляется).
-Предупреждение преждевременного опадания плодов. При большом количестве завязавшихся плодов часть их опадает до созревания. При созревании плодов в них уменьшается содержание ауксина, что является причиной образования отделительного слоя в плодоножке. Обработка деревьев НУК (α-нафтилуксусной кислотой, 10 мг/л) за две недели до уборки предупреждает обеднение плодов ауксинами, вызывает дополнительный приток к ним питательных веществ и препятствует образованию отделительного слоя.
-Дефолиация растений. Уменьшение количества ауксина приводит к более быстрому старению листьев и образованию в черешках отделительного слоя. Обработка растений перхлоратом магния Мg(СlО3)2 х 6Н2О снижает содержание ауксинов в листьях, поэтому последние быстрее желтеют и опадают. В результате на растениях, например хлопчатника, остаются одни коробочки, что облегчает машинную уборку хлопка.
-Получение партенокарпических плодов. Опрыскивая ауксином цветки, получают партенокарпические плоды, которые не содержат семян, растут быстрее, содержат больше сахаров, но подвержены заболеваниям. В этом случае экзогенный гормон заменяет ауксин, вырабатываемый пыльцой и развивающимися семенами.
-Регуляция плодоношения. У томатов первое соцветие обычно дает мелкие плоды. Если его опрыскать раствором ауксина, развиваются хорошие крупные плоды, что дает прибавку урожая. В этом случае обработка ауксином заменяет влияние эндогенного ауксина семян. Если в розетку листьев ананаса влить 50 мл раствора НУК, то цветение и плодоношение ускоряется на несколько месяцев.
-Защита от весенних заморозков. В некоторых районах плодовые деревья, особенно абрикосы, часто страдают от весенних заморозков. Если в конце лета деревья опрыскать раствором ИУК, то рост почек и распускание цветков задержится и начнется, когда установятся стабильные положительные температуры.
-Увеличение периода покоя клубней. Один и тот же препарат в за висимости от концентрации может удлинить или прервать покой. Если клубни картофеля обработать метиловым эфиром НУК, то они в течение двух лет не прорастают и сохраняют свои пищевые качества. После такой обработки клубни слабо дышат, следователь но, и запасные вещества расходуются медленно, поэтому почки не могут начать расти.
Практическое применение гиббереллинов. При обработке гибберелловой кислотой волокнистых культур резко возрастает урожай и качество волокна, так как длина стеблей, например у конопли, мо жет достичь 6 м.
С помощью гиббереллинов можно прервать покой клубней картофеля и семян некоторых растений. Обработка гиббереллином может заменить стратификацию у тех семян, которые в ней нуждаются.
Опрыскивание гибберелловой кислотой цветков винограда (50 мг/л) позволяет получать бессемянные, более сладкие плоды.
Свойство гиббереллинов активизировать гидролитические фер менты используется в пивоваренной промышленности при получе нии солода. Обработка гиббереллином наклюнувшихся семян яч меня улучшает качество солода.
Обработка плодов апельсинов гиббереллинами предотвращает старение кожуры, удлиняет сроки сбора урожая, а следовательно, увеличивает период продажи плодов.
Практическое использование цитокининов. Подобно ауксинам и гиббереллинам цитокинины нарушают период покоя. Напри мер, обработка ими способствует нарушению послеуборочного покоя клубней картофеля. Цитокинины активизируют прораста ние семян.
Цитокинины вызывают рост пазушных почек, заторможенных ауксинами, т. е. возможно их применение для нарушения апикаль ного доминирования.
Используя кинетин, можно регулировать рост и образование органов в культуре изолированных тканей. Это приобретает все большее значение, поскольку таким путем удается получить боль шое количество тканей, содержащих лекарственные вещества, а также чистые линии в селекции.
Практическое использование абсцизовой кислоты. Благодаря спо собности вызывать закрывание устьиц, АБК используют как антитранспирант при пересадке деревьев и кустарников и для увеличе ния устойчивости к засухе. Кроме того, обработка АБК вызывает увеличение образования клубней у топинамбура и георгин.
Практическое использование этилена. Этилен используют для ускорения созревания плодов: закончившие рост плоды помещают в специальные камеры, куда периодически подается этилен.
Все гормоны широко используются для получения растений из изолированных клеток или протопластов, а также при клональном микроразмножении.
PAGE \* MERGEFORMAT 12