Влияние карбоксиметилированной древесины на развитие плодов и луковиц культурных растений в черте города

       У крушины, дёрена, облепихи почечных колец  не бывает. Их почки прикрыты листьями, которые весной становятся хорошо развитыми  зелеными листьями. Они передают гиббереллиновый сигнал вставочным меристемам, за счет растяжения междоузлий возникает листовая мозаика.

       Ясень укрывает свои почки катафиллами, однако весной катафиллы зеленеют (по форме они сильно отличаются от типичных фотосинтезирующих листьев). Вставочные меристемы получают от них слабый сигнал, и расстояния между рубцами несколько увеличивается.

       Несколько сложнее физиологический ответ  на гиббереллин у розеточных растений. В начале сезона они образуют прикорневую  розетку листьев. Несмотря на крупные  размеры листьев, междоузлия между ними не увеличиваются. Гиббереллиновый сигнал направляется к верхушке побега, и когда он превышает некоторый порог, эта меристема начинает образование соцветий. В соцветиях розеточных растений листья уступают в размерах прикорневым, но междоузлия на цветущем побеге гораздо длиннее. Это обусловлено гибберелиновыми сигналами, поступающими в интеркалярные меристемы из ниже лежащих листьев розетки.

       Биосинтез гиббереллинов можно подавить с  помощью некоторых ретардантов (один из таких агентов – паклобутразол). Паклобутразол широко используется при выращивании растений. Слишком большая высота иногда бывает нежелательной. Например, крупные цветки на коротких цветоножках (т.е. в плотных соцветиях) смотрятся более эффектно, чем на длинных. Если при выращивании высокорослых сортов вовремя провести обработку ретардантом, то получатся «искусственные карлики». Так, из Голландии часто поставляют «карликовые» хризантемы, каланхоэ, горечавки и др. растения. Они пользуются большим спросом, однако после продажи ретарданты перестают действовать и рост растений нормализуется.

       1.3.3 Биосинтез гиббереллинов

       В растениях биосинтез гиббереллинов  начинается в пластидном компартменте. Из дезоксиксилозо-5-фосфата образуется изопентенилпирофосфат и далее (путем  конденсации) геранилпирофосфат и геранилгераниолпирофосфат. Ключевым моментом биосинтеза гиббереллинов является циклизация последнего продукта с образованием энт-копалилдифосфата и энт-каурена, который считается предшественником всех гиббереллинов.

       Энт-каурен покидает пластиду, и дальнейший синтез идет в цитоплазме. Последовательными реакциями окисления образуются энт-кауреновая кислота, энт-гидроксикауреновая кислота ГК₁₂-альдегид и ГК₁₂-кислота. После этого биосинтез гиббереллинов разветвляется на параллельные ветви, которые путем модификации радикалов и замыканием дополнительных циклов внутри молекул приводят ко всему разнообразию гиббереллинов. Физиологически активными являются далеко не все гиббереллины. Физиологической активностью обладают в частности ГК₁, ГК₃, ГК₄ , ГК₇ и др., причем физиологическая активность зависит от видовой принадлежности растения. Одно и то же соединение может быть активно в одном виде растений, но не проявлять физиологической активность в другом.

       Биосинтез гиббереллинов контролируется многими факторами. Например, начальные стадии биосинтеза находятся под контролем развития (т.е. включаются на определенных стадиях развития и дифференцировки). Переход от ГК₁₂ или ГК₅₃ к ГК₉ или ГК₂₀ зависит от длины дня и от уровня ауксинов. В этой точке метаболизма регулируется переход к цветению под действием гиббереллинов.

       На  переход от ГК_9/20 к активным ГК_4/1 влияют как ауксины, так и красный свет. Эта стадия биосинтеза находится под контролем при прорастании семян.

       Рецепция  гиббереллиновго сигнала приводит к замедлению указанных выше переходов, и одновременно усиливается превращение  активных ГК_4/1 в неактивные ГК_34/8.

       Как и большинство растительных гормонов, гиббереллины могут конъюгировать  с сахарами, образуя неактивные гликозиды (запасные формы гиббереллинов). Кроме того, в растениях существуют специфические оксидазы, которые необратимо переводят гиббереллины в неактивные соединения.

       О путях передачи гиббереллиновго  сигнала известно достаточно мало. Рецептор(ы), связывающиеся с гиббереллинами, пока еще не охарактеризованы. Показано, что в трансдукции сигнала участвует цГМФ.

       Был выделен мутант арабидопсис spy (spindly) с конститутивным ответом на гиббереллин: растения сильно вытягивались в длину, семена преждевременно прорастали и т.п. Последовательность гена SPY позволяет сделать вывод, что белок работает как N-ацетилглюкозаминтрансфераза. По-видимому, гликозилирование является важным событием в репрессии ответа на гиббереллин. При повреждении белка репрессия снимается, и можно наблюдать постоянный ответ на гиббереллин, который не зависит от добавления гормона.

       Еще один белок гиббереллиновго ответа был выделен благодаря мутации  gai (GA-insensitive). Он оказался транскрипционным регулятором. При повреждении генного локуса GAI растения становились нечувствительными к гиббереллинам.

       Гиббереллины  способны вызывать синтез специфических  транскрипционных факторов, которые  обозначены как GAMyb. Эти регуляторы узнают последовательности в промоторных  участках многих генов [4].

       1.4 Цитокинины

       1.4.1 История открытия цитокининов

       Первые  стерильные культуры клеток животных удалось получить еще в начале ХХ в., однако вплоть до 1950-х годов получить устойчиво растущие культуры растительных клеток на искусственных питательных средах не удавалось.

       Американец  Ф. Скуг работал над проблемой получения стерильных культур клеток растений. Он работал в университете штата Висконсин, поэтому его излюбленным объектом был один из сортов табака, который выращивали в этом штате – «Wisconsin-38». Из стеблей добывали сердцевинную паренхиму, помещали на искусственные среды, содержащие минеральные вещества, сахар, витамины, аминокислоты. Однако клетки не делились. После открытия ауксина Скуг добавил ИУК в среды: вдруг растительным клеткам не хватает ауксина? Клетки паренхимы приступали к делениям, но рост быстро останавливался.

       В лаборатории Скуга перепробовали  самые различные добавки: экстракт дрожжей, томатный сок, сок листьев  самого табака, и все безрезультатно. Небольшого успеха удалось добиться, добавив в среду кокосовое молоко.

       В 1950-х годах ученые обнаружили, что  наследственная информация передается от родителей к потомкам с помощью  ДНК. (Как устроено это вещество и  какие свойства позволяют передать информацию тогда еще не было известно). И Скуг предположил, что растительным клеткам не хватает ДНК. В лаборатории появилась банка с ДНК, добытой из молок сельди (самый дешевый источник ДНК) и ее добавляли в среду наряду с ауксинами и питательными веществами. Клетки не делились.

       Открытие цитокининов состоялось благодаря ошибке, допущенной в ходе эксперимента. Чтобы среда была стерильной, флаконы со средой помещали в автоклав, где раствор нагревается выше 100 °С. Случайно режим автоклавирования был нарушен, и среда вместе с ДНК перегрелась. Именно на этой среде сердцевинная паренхима табака сорта «Wisconsin-38» начала интенсивно расти. При более детальной проверке выяснилось, что в перегретом препарате ДНК из молок сельди появлялось некоторое вещество, которое на фоне ауксина вызывает активные деления клеток. В 1953 г. вышла первая статья, посвященная этому явлению, а затем удалось идентифицировать вещество, вызывающее рост клеток – фурфуриладенин. По физиологическому эффекту это вещество получило тривиальное название кинетин (от греч. кинезис – деление)

       Вскоре  из эндосперма кукурузы удалось выделить природное вещество, которое заставляет делиться клетки в организме растения – зеатин (zea – кукуруза). Так было положено начало открытию новой группы растительных гормонов – цитокининов.

       Выяснилось также, что природные цитокинины легко разрушаются при нагревании, что объясняет первые неудачи Скуга. В растительных экстрактах содержались природные цитокинины, но поскольку среды обязательно автоклавировали, эти гормоны разрушались и не оказывали действия на клетки.

       1.4.2 Эффекты цитокининов от апекса корня до апекса побега

       Цитокинины  оказались во многом похожими на первую из известных групп растительных гормонов – на ауксины, однако были и существенные отличия. Главное – у цитокининов совершенно иная точка синтеза. Если ауксины синтезируются в апексе побега, то цитокинины – биохимический «маркер» кончика корня. Ауксин транспортируется по растению сверху вниз и активно, а цитокинин – снизу вверх и пассивно.

       Образно цитокинины можно назвать «гормонами благополучия апекса корня» [4].

       1). Аттрагирующий эффект. Кончик корня для своего роста нуждается в питательных веществах. Минеральных солей и воды у корня в достатке, поэтому необходимо «притягивать» продукты фотосинтеза: сахара, аминокислоты и др. Этот эффект проявляется в зоне деления (т.е. в апикальной меристеме) корня.

       Иногда  цитокинины называют гормонами «омоложения» растительных тканей. Если обработать цитокинином лист, готовящийся к листопаду, он еще долго будет оставаться зеленым. Этот эффект был настолько впечатляющим, что физиологи растений считали «омоложение» – главным эффектом цитокининов. Однако при более внимательном рассмотрении окажется, что это – всего лишь аттрагирующий эффект. В норме перед листопадом все белковые молекулы листа разрушаются и в виде аминокислот отправляются на зимнее хранение в корень. К моменту листопада в тканях листа почти не остается азота, который был бы доступен метаболизму. Оттекают из осеннего листа и другие органические вещества, следовательно, мы имеем дело не столько со старением, сколько с запрограммированной гибелью листа от истощения (заметим, что вечнозеленые листья тропических растений обычно остаются живыми в 3–5 раз дольше, чем листья растений умеренных широт). Зимой большая листовая поверхность опасна, поэтому происходит листопад, а питательные вещества депонируются в корне.

       Если  ввести в лист радиоактивный глицин и обработать одну из частей листа  цитокинином, метка быстро соберется  в обработанной половине листа. Нормальная физиологическая реакция состоит  в том, чтобы передать питательные вещества ближе к корню (т.е. источнику цитокининов). Так как в эксперименте источником цитокининов оказалась соседняя половина листа, метка переместилась именно туда.

       Таким образом, цитокинин не омолаживает  лист, а просто не дает ему погибнуть от истощения, притягивая и удерживая в тканях питательные вещества.

       2). Цитокинин и дифференцировка клеток. В зоне дифференцировки корня цитокинины способствуют образованию проводящей системы. Поскольку корень нуждается в продуктах фотосинтеза, которые по растению разносит флоэма, цитокинины (гормоны корневого благополучия) вызывают образование преимущественно элементов флоэмы.

       Цитокинин рассматривается тканями как  запрос на фотоассимиляты. Если ткань  в принципе способна образовать хлоропласты, то даже в темноте под действием цитокинина можно добиться синтеза хлорофилла. Так, в семядолях тыквы происходит дифференцировка фотосинтезирующих тканей, в клетках пластиды превращаются в хлоропласты.

       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.

       О том, что цитокинины содержатся в  ксилеме, догадывался еще Скуг. Если сердцевинную паренхиму стебля не отделять от слоя ксилемы, то некоторое время клетки паренхимы могли делиться, наблюдение было сделано еще до открытия цитокининов.

       В зоне вторичного утолщения цитокинины стимулируют работу камбия и образование новых флоэмных элементов.

       3). 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.

       4). 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.

       Заметим, что ауксины и цитокинины – антагонисты в процессе регуляции развития боковых почек. Однако, в другом процессе – клеточных делений – они синергисты (т.е. их совместное действие усиливается).

       5). Традиционно упоминается реакция устьичных клеток на цитокинин: 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.

       6). 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, естественно, содержит больше цитокининов, чем бессемянный. При добавлении цитокининов извне, растение считает, что в бессемянном плоде зародыши есть и проявляется аттрагирующий эффект [4, 5].