Учение о фитогормонах возникло в 30-х гг. XX в. и связано с именами Н. Г. Холодного и Ф. В. Вента, предложивших гормональную теорию тропизмов и роста растений, известную в литературе как теория Холодного — Вента.
Фитогормоны — это соединения, которые участвуют в регуляции ростовых процессов в растении и обладают следующими общими свойствами (В. И. Кефели):
- синтезируются в одном из органов растения (молодые листья, почки, верхушки корней и побегов) и транспортируются в места, где они активируют процессы органогенеза и роста;
- синтезируются и функционируют в растениях в микроколичествах;
- вызывают в растениях формативный эффект, им свойственны регуляторные функции.
Ауксины — это фитогормоны преимущественно индольной природы — индолилуксусная кислота (ИУК) и ее производные, которые продуцируются растущими верхушками (апексами) стеблей и корней и перемещаются в зону растяжения клеток, усиливая рост стеблей, листьев и корней. Ауксины также вызывают партенокарпию у плодов, задерживают опадание листьев и завязи, стимулируют образование корней у черенков и обусловливают тропические изгибы разных органов растений. Чувствительность корней к ауксину выше, чем стеблей.
Наличие в высших и низших растениях β-индолилуксусной кислоты и участие ее в процессах роста — общепризнанный факт.
В зависимости от вида растения, типа тканей и физиологического состояния содержание ИУК колеблется от 1 до 1000 мкг на 1 кг сырой массы. Многие бактерии и плесневые грибы синтезируют ее в значительно больших количествах, чем ткани высших растений, — в 100-200 раз (В. В. Полевой).
ИУК (гетероауксин) в тканях растений находится в двух формах: свободной и связанной — иммобильной. Содержание связанной ИУК обычно на 1-2 порядка превышает количество свободной. В настоящее время обнаружены конъюгированные формы также и других природных регуляторов: гиббереллинов, цитокининов и абсцизовой кислоты.
Современное представление о механизме действия ИУК основывается на индуцировании увеличения степени растяжимости клеточных стенок, усиления дыхания, синтеза белка и нуклеиновых кислот. Имеются также данные о длительности латентного (скрытого) периода действия ИУК. Установлено, что иммобильный компонент ИУК, который активирует, например, синтез белков, лимитирующий рост, не дает морфологического видимого роста и не изменяет электрической поляризации клеток, тканей и мицеллярного состава клеточных стенок. Эти процессы происходят только при наличии свободной транспортной формы ИУК.
Генерирование электрических токов возникает в результате того, что под действием ИУК усиливается выделение протонов из плазмалеммы (протонная помпа), обусловливая эффект удлинения колеоптиля и других органов растения. В этом случае наблюдается прямая зависимость между ростом осевых органов путем растяжения и генерированием разности электрического потенциала.
Допускается, что транспортная форма ИУК может взаимодействовать с каким-то акцептором, образуя нестабильный комплекс, который способен положительно влиять на образование специфического белка для поддержания функции мембраны клетки во время роста в результате растяжения (А. И. Меркис).
Важное значение имеют явление апикального доминирования ИУК в побегах и ее роль в механизмах, обеспечивающих координирующее влияние на целостность всего растения. От функциональной активности верхушки побега зависят многие физиологические и морфологические процессы, протекающие как в надземных органах, так и в корневой системе (В. В. Полевой).
К ауксинам относятся также некоторые природные фенольные соединения, стимулирующие рост растений: феруловая кислота, конифериловый спирт, ванилин, кофейная кислота. Эти вещества обладают более слабым стимулирующим действием по сравнению с индольными ауксинами.
Гиббереллины. В 1926 г. японский ученый Е. Куросава открыл соединения, которые вырабатываются грибом Gibberella fujikuroi (половая форма гриба Fusarium moniliforme), поражающим молодые растения риса. Японский ученый Т. Ябута в 1935 г. выделил из культуры этого гриба в химически чистом виде вещество, которое впоследствии было названо гиббереллином.
Гиббереллины — это дитерпеноиды; исходными соединениями для их синтеза являются ацетат (радикал ацетила СН2СО —) и мевалоновая кислота
которая конденсируется с образованием геранилгераниолпирофосфата; последний превращается в каурен, а из него образуются гиббереллины (в листьях).
В настоящее время из гриба Gibberella fujikuroi и из высших растений выделен ряд гиббереллинов.
К классу гиббереллинов относится более 60 таких соединений, чрезвычайно близких по молекулярной структуре и обозначаемых А1, А2, А3 И т. д. (А — начальная буква английского слова acid — кислота). Углеродный скелет у молекул всех гиббереллинов один и тот же.
Гиббереллин А3 (гибберелловая кислота) — одна из кислот природного комплекса гиббереллинов, но ее в этой смеси больше всего, и она легче выделяется в чистом виде. Гиббереллин А3 обнаружен во всех растениях.
Гиббереллин (С19H20O6) при введении в незначительных дозах в различные сельскохозяйственные растения вызывает у многих из них не только ускорение роста, но и значительное увеличение размеров и массы. Гиббереллины в ряде опытов с томатом оказались в сотни раз активнее, чем гетероауксин. Они вызывают развитие бессемянных плодов (партенокарпию), усиливают усвоение углерода растением. Наиболее перспективно применение гиббереллинов на виноградной лозе, конопле, табаке (рис. 78, 79).
Под действием гиббереллинов повышается интенсивность дыхания, происходит смещение углеводного обмена в растении, усиливается биосинтез целлюлозы и накопление клетчатки и гемицеллюлозы, изменяется активность ферментов, катализирующих реакции углеводно-фосфорного обмена. В результате увеличивается количество простых сахаров за счет гидролитического расщепления крахмала, а также более сложных соединений фосфора. Наиболее типичная, но отнюдь не единственная реакция клеток на гиббереллин — синтез и выделение амилазы и других гидролаз.
В 70-х годах в Институте цитологии и генетики и НИИ органической химии СО АН СССР разработан новый метод получения препарата, в который входит весь комплекс природных гиббереллинов. Он оказался значительно более эффективным, чем гиббереллин А3, и производство его значительно дешевле. Препарат получил название гибберсиб.
Высокая эффективность действия гибберсиба обусловлена генетической неоднородностью растительных популяций.
Гибберсиб широко испытан в производственных условиях в разных зонах страны и дает значительную прибавку урожая, например, томата — 15-20%.
Метод применения: опрыскивание растений томата в начале цветения первой, второй и третьей кисти 0,005-0,0075%-ным раствором из расчета 30-40 г препарата на 1 га.
Гибберелловая кислота взаимодействует с ИУК, в результате чего активизируется их транспорт по растению. Движение гиббереллинов по растению происходит как акропетально, так и базипетально.
Рис 78. Влияние гиббереллина на рост и образование листьев у табака:
1 — в двух, сосудах растения опрыскивали раствором гиббереллина (в первый срок — 10 мг/л, во второй — 20, в последующие сроки — 100 мг/л); 2 — в двух сосудах контрольные растения опрыскивали водой (по М. X. Чайлахяну).
Рис. 79. Влияние гиббереллина на величину ягод винограда:
1 — кисть опрыскивали раствором гиббереллина дважды — в начале и в конце цветения (100 мг/л); 2 — контрольные соцветия опрыскивали водой в те же сроки (по М. X. Чайлахяну).
Предпосадочная обработка клубнелуковиц гладиолуса (18 ч) раствором 1 гиббереллина (0,0005%) в смеси с гетероауксином (0,001%) или тиомочевиной (0,5%) вызывает изменение направленности метаболизма в прорастающих клубнелуковицах и в целом растении. Как показали исследования, выполненные на кафедре физиологии и биохимии растений Украинской сельскохозяйственной академии (Н. И. Мартименко), в прорастающих клубнелуковицах гладиолуса после такой обработки усиливаются процессы гидролиза запасных веществ, повышается содержание растворимых углеводов, уменьшается количество белка и увеличивается содержание в них свободных аминокислот, возрастает количество нуклеиновых кислот. В листьях наблюдается более интенсивное накопление сахаров, нуклеиновых кислот, белка и макроэргического фосфора. Синергическое действие гиббереллина и гетероауксина, гиббереллина и тиомочевины сказывается на ускорении роста и развития, повышении продуктивности и улучшении декоративности соцветий гладиолуса. Производственные испытания показали, что количество цветущих растений из обработанных клубнелуковиц увеличивается на 16-64%; прибыль составляет 2,5-13 тыс. руб. на 1 га.
Фитогормоны цитокинины, или кинины, активизируют деление клеток.
Формулы основных представителей цитокининов приведены ниже:
Цитокинины являются производными пуринов. Особенность их действия, кроме стимулирования деления клеток, заключается также в способности вызывать рост стеблевых почек у недифференцированных каллусов, дифференциацию почек, позеленение пожелтевших листьев, активизировать прорастание семян. Цитокинины активно взаимодействуют с ауксинами (А. Л. Курсанов, В. И. Кефели).
Образуются цитокинины в корнях, откуда с пасокой передвигаются в листья, побеги, почки.
В клетках высших растений обнаружен белок, связывающий как циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), так и 6-бензиламинопурин, что указывает на возможность участия цАМФ и фитогормона цитокинина в регуляции общих или близких реакций обмена веществ растительных организмов.
Фузикокцин (С36Н56О12) относится, как и гиббереллины, к дитерпенам. Выделен итальянскими учеными в начале 60-х годов из фитопатогенного гриба Fusicoccum amygdali. Стимулирует удлинение клеток у ряда растительных тканей, вызывает открытие устьиц в темноте и на свету, индуцирует прорастание покоящихся семян пшеницы, корнеобразование и влияет на синтез РНК и белка. Специфическое действие фузикокцина выражается в способности повышать, проницаемость клеточных мембран, активируя протонный насос на мембранах. Фузикокцин, нанесенный на листья сахарной свеклы, усиливает отток ассимилятов из листьев в корнеплод. Действие фузикокцина аналогично гиббереллинам.
Брассиностероиды (С28Н48О6) продуцирует гриб Cercospora arachidicola. Это новая группа регуляторов роста стероидной природы, стимулирующая рост растений, образование этилена.
Впервые эти вещества были обнаружены в пыльце рапса (Brassica napus) и получили название брассины или брассиностероиды. Наибольшим содержанием фитогормонов отличается пыльца растений, но брассиностероиды обнаружены в вегетативных органах и цветках. Освоен их химический синтез. Примечательно, что из семи групп фитогормонов четыре — гиббереллины, абсцизовая кислота, фузикоксины и брассиностероиды — принадлежат к терпеноидам, к которым относятся каротиноиды. Исходным веществом для всех этих терпеноидов является мевалоновая кислота.
От этой группы фитогормонов ауксины, цитокинины и этилен резко отличаются молекулярным строением и функциями. Если терпеноидные фитогормоны действуют на уровне органов и организма, то ауксины и цитокинины — на уровне растительной клетки (Т. Гудвин, Э. Мерсер, Г. С. Муромцев, К. 3. Гамбург).
Ингибиторы роста — это соединения, которые угнетают активность фитогормонов и рост растений, замедляя (угнетая) обмен веществ. Установлено, что при снижении уровня содержания ингибиторов рост возобновляется.
Многие из фенольных соединений обладают свойствами ингибиторов. К ним относятся кумарин, скополетин, кумаровая кислота, арбутин, нарингенин, фазеолевая кислота.
Кроме фенольных, в тканях покоящихся растений имеется природный ингибитор — абсцизсовая кислота (АБК), которая ускоряет опадание черешков листьев, тормозит рост отрезков колеоптилей, задерживает прорастание семян:
Исследования показали, что синтез фитогормонов связан с синтезом природных ингибиторов через общие предшественники. Так, шикимовая кислота является общим источником для синтеза индольных ауксинов и фенольных ингибиторов, а мевалоновая кислота — для гиббереллинов и абсцизовой кислоты.
Многочисленными исследованиями было доказано, что АБК обладает сильным ингибирующим действием, вызывает опадание листьев, переход древесных растений в состояние покоя. Она относится к ряду сесквитерпенов (С15Н20О4), имеет в своем составе спиртовую и карбоксильную группы, конъюгированную кетогруппу и двойную связь. Нативная АБК является правовращающим энантиомером и обозначается как S— (+) АБК. Синтетическая АБК представляет собой рацемическую смесь равных количеств право- и левовращающих форм — RS(±) АБК. Нативная АБК обладает оптической активностью.
У АБК имеются цис- и трансизомеры. Биологическая активность трансизомера значительно ниже активности цисизомера. Высокая биологическая активность АБК обусловлена комбинацией колец с ненасыщенными боковыми цепями в цисконфигурации. Молекула АБК имеет полосу поглощения в ультрафиолетовой области при длине волны 254 нм. Местом синтеза ее являются хлоропласты, однако не исключается синтез АБК и вне этих пластид.
Установлено, что под влиянием света некоторые каротиноиды (виолаксантин, лютеин и др.) деградируют до соединений, близких к АБК по строению и активности. О возможности образования АБК из ксантофиллов свидетельствует факт параллельного увеличения осенью содержания в листьях ксантофиллов и абсцизовой кислоты.
Схема образования абсцизовой кислоты: $$Мевалоновая\;кислота\; \rightarrow\; изопентенилпирофосфат\; \rightarrow\; транс\; \rightarrow$$ $$транс\; \rightarrow\; фарнезилпирофосфат\; \rightarrow\; абсцизовая\;кислота$$ $$\rightarrow\; \underset{\large \text{(каротиноиды)}}{С_{40}\text{-продукты}} \nearrow$$
Абсцизовая кислота передвигается по растению по флоэме (иногда и по ксилеме) к ростовым центрам, что свидетельствует о ее гормональной природе и регуляторной функции. Из известных нативных аналогов АБК можно назвать: трансизомер гликозид АБК (абсцизин-β-D-глюкопиранозид), фазеиновую кислоту и ксантоксин. В растениях АБК содержится главным образом в цисформе. Трансизомер обнаруживают в небольшом количестве лишь у некоторых видов растений (хлопчатник, земляника, яблоня, шиповник). Активность гликозида АБК вдвое меньше активности свободной АБК. Гликозид АБК рассматривают как запасную и транспортную форму; в растениях имеется специальный оксидативный механизм, обусловливающий инактивацию АБК. Гидролиз гликозида АБК осуществляется с помощью эстераз. Аналогом по биологической активности является ксантоксин, который обнаружен в листьях и побегах разных видов фасоли, гороха и других растений. Сходство химической природы и общность биосинтеза АБК и ксантоксина свидетельствуют о возможности их взаимопревращения. Химический переход ксантоксина в АБК подтверждается опытами.
Абсцизовая кислота широко распространена в растительно мире. Много ее в старых листьях, зрелых листьях и плодах, покоящихся почках и семенах. В молодых, активно растущих тканях ее значительно меньше. Абсцизовая кислота ингибирует деление и растяжение клеток. При задержке роста наблюдается накопление ее в растениях. Характерное действие АБК — индукция образования покоящихся почек у древесных растений и покоящихся клубней картофеля. Индуцирование покоя под действием АБК наблюдалось у изолированных почек клубней картофеля. Способность АБК вызывать ускорение образования отделительного слоя у черешков листьев и плодов, а следовательно, и их опадание установлены многими опытами. При этом повышается активность пектиназ, целлюлаз в протеаз, увеличивается образование этилена, который, в свою очередь, вызывает опадание плодов.
Возможный механизм действия АБК заключается в ингибировании включения меченого фосфора 32P в ДНК, РНК и белки; она подавляет активность РНК-полимераз, снижает скорость синтеза нуклеиновых кислот, действует на цитоплазматические мембраны, уменьшает поглощение фосфатов и усиливает поглощение ионов калия. Установлены факты синергизма АБК и гиббереллина, АБК и кинетина.
К ингибиторам относится этилен, этен, Н2С = СН2, ненасыщенный углеводород, первый член гомологического ряда олефинов (алкены).
Этилен ускоряет созревание плодов и способствует старению всех частей растения. Это гормон старения. Он весьма реакционноспособен. Этилен образуется в незначительных количествах в тканях высших растений и животных как промежуточный продукт обмена веществ, синтезируется также бактериями, грибами и низшими растениями. У высших растений этилен образуется из аминокислоты метионина, что было доказано на срезах яблок:
Этилен также синтезируется в растениях путем восстановления ацетилена \(\ce{CH\bond{2}CH}до\ce{CH_2 \bond{2} CH_2}\).
Содержащийся в различных органах высших растений (плодах, цветках, листьях, стеблях, корнях) этилен антагонистически взаимодействует с ауксинами. Этилен и ауксин ингибируют биосинтез и функционирование друг друга, гиббереллины также блокируют действие этилена. Этилен вызывает замедление роста, ускорение старения, созревания и опадания плодов, сбрасывания цветков, завязей, листьев (Ю. В. Ракитин). Предполагают, что этилен у высших растений функционирует без ковалентного связывания с клеточными компонентами. Образование этилена в растениях тормозится недостатком кислорода и может регулироваться светом.
Болезни растений (вирусные, бактериальные, грибные), различные механические воздействия (надрезание, сдавливание и т. п.) приводят к выделению этилена. Резкое изменение температуры также усиливает образование его. Это так называемый «стрессовый» этилен.
Спектр биологического действия этилена широк, он участвует в процессах роста и морфогенеза, но один из наиболее известных эффектов этилена — ускорение созревания плодов.
Существуют разные методы определения содержания этилена в растениях: химические (на основе взаимодействия этилена с серной кислотой, бромом, азотной кислотой), метод газовой хроматографии и метод биопроб — способность взрослых листьев томата отвечать эпинастией (изгибанием вниз) на присутствие этилена. Метод очень чувствительный.
Среди многочисленной группы химически разнородных соединений, объединенных общностью морфологического эффекта замедлять рост интактных растений и способствовать формированию утолщенных стеблей повышенной механической прочности (ретарданты), известны такие препараты, как этрел (2-хлорэтилфосфоновая кислота)
и дигидрел (бис-кислый-2-хлорфосфоновый-NN-диметилгидразил)
действующим веществом которых является этилен. Попадая в растение, они разлагаются с выделением этилена, обладающего ретардантной активностью, что проявляется в форме антигиббереллинового эффекта. Образующийся в растениях в процессе метаболизма этилен при определенных условиях может играть роль эндогенного ретарданта.
В последнее время предложена новая гипотеза механизма действия регуляторов роста (Б. А. Курчий и Г. Н. Койдан), сущность которой состоит в следующем.
Липиды, входящие в структуру биологических мембран, состоят из полиненасыщенных карбоновых кислот, легко подвергающихся окислению, в результате чего проницаемость мембран и активность связанных с ними ферментов могут резко изменяться. Это сказывается на жизнедеятельности клеток, вызывая усиление синтеза или распада биополимеров, ингибирование или стимулирование роста. Причинами такого изменения являются перекисное окисление ненасыщенных карбоновых кислот в мембранах и образование в клетках свободных радикалов, которые инициируют цепные реакции окисления мембранных липидов.
Считают, что все биорегуляторы небелковой природы способны под действием кислорода, ферментов и других факторов превращаться в живых клетках в свободные радикалы или в антиоксиданты. Например, биорегуляторы роста, содержащие перекисные группы Н2О2, образуют свободные радикалы \(HO + HO; I_2 \to I + I;\) вещества, имеющие концевые ненасыщенные группы \(\ce{-CH\bond{2}CH_2, - C\bond{#}CH}\;\rangle\; \ce{C\bond{2}NH, \bond{1}C\bond{3}N,}\) также дают свободные радикалы. К таким веществам относится и этилен. Регуляторы роста, содержащие легко отщепляемый водород, превращаются в антиоксиданты, нейтрализующие свободные радикалы.
Считают также, что различные по структуре биорегуляторы могут иметь одинаковые функциональные группы, дающие свободные радикалы, например ауксины, гиббереллины и др.
Свободные радикалы в живой клетке способны не только окислять мембранные липиды, их действие может распространяться и на другие полимеры — нуклеиновые кислоты, белки и т. д. Полагают, что свободнорадикальные механизмы регуляции ростовых процессов носят общебиологический характер и могут быть вызваны у животных и растений не только химическими, но и физическими воздействиями (светом, излучением, магнитным полем и др.), индуцирующими образование биологически активных свободных радикалов.
Растущие органы, части и ткани растения характеризуются присутствием как фитогормонов, так и ингибиторов, в то время как в покоящихся тканях имеются только ингибиторы.