Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Дальневосточный федеральный университет»

Школа биомедицины

Департамент пищевых наук и технологий

Курсовая работа

Природные и синтетические фитогормоны и их применение в сельском хозяйстве

Остапенко Виолетта Максимовна

г. Владивосток 2020



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О РОСТЕ И РАЗВИТИИ РАСТЕНИЙ

1.1 Клеточные основы роста и развития

1.2 Основные этапы развития растений

1.3 Влияние факторов внешней среды на рост растений

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЛИЯНИЯ НЕКОТОРЫХ БИОСТИМУЛЯТОРОВ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ

2.1 Стимулирующие фитогормоны

2.2 Ингибиторы роста растений

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИТОГОРМОНОВ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

Фитогормоны и стимуляторы роста растений находят всё большее применение в современных технологиях производства продукции растениеводства. К ним относятся природные и синтетические органические соединения, которые в малых дозах активно влияют на обмен веществ растений, вызывая стимуляцию или подавление их роста и морфогенеза.

Фитогормоны в чистом виде представляют собой органические вещества, которые вырабатывает растительный организм. В небольших количествах они способны регулировать рост и физиологические процессы, происходящие в тканях растений. Современные ученые смогли получить некоторые фитогормоны синтетическим способом. В настоящее время их широко применяют в садоводстве и огородничестве при выращивании различных культур и для борьбы с сорняками.

Впервые о фитогормонах в научной среде заговорили в 20-е годы XX столетия. Вместе с тем, еще Чарльз Дарвин высказал предположение о выработке растительным организмом особых веществ, которые заключают в себе генную информацию и определяют рост и развитие растений. Впоследствии японским ученым Е. Куросавой были выделены вещества, в настоящее время известные под названием «гормоны гиббереллины». Еще позднее исследователям удалось обнаружить гормоны цитокинины, оказывающие влияние на рост растений.

Несмотря на пристальное внимание ученых, свойства фитогормонов изучены пока еще не полностью. А потому, применять их в сельском хозяйстве следует, соблюдая осторожность.



1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О РОСТЕ И РАЗВИТИИ РАСТЕНИЙ

1.1 Клеточные основы роста и развития

В настоящее время выделяется три последовательных фазы роста типичной растительной клетки:

- эмбриональный рост;

- фаза растяжения;

- фаза внутренней дифференцировки.

Первая фаза (эмбриональная) характеризуется непрерывным делением клеток. Клетки мелкие, с очень тонкими стенками, вакуолей нет или зачаточные. Дочерние клетки, достигнув величины материнских клеток, снова делятся. Необходимо, чтобы к ним был приток веществ для образования новых клеток [1].

Ниже конусов нарастания эмбриональные клетки перестают делиться и переходят во вторую фазу роста - фазу растяжения. Главное отличие ее от первой - образование больших вакуолей за счет воды, увеличивающих размер клеток. Последние сильно вытягиваются (наблюдается наибольший рост органа). Увеличение размера клетки сопровождается также некоторым нарастанием количества цитоплазмы и клеточной стенки.

После фазы растяжения клетка вступает в фазу дифференциации и приобретает индивидуальные черты. Клетки приобретают анатомические различия в связи с выполняемыми функциями, растет их многообразие. Благодаря специфичной изменчивости клеток возникают различные ткани.

В отличие от клеток животных большинство клеток растений после анатомической дифференцировки легко переходят к делению. Такой процесс называют дедифференцировкой (потерей специализации).



1.2 Основные этапы развития растений

Рисунок 1 - Полный цикл развития цветкового растения

Основные возрастные периоды. В онтогенезе растений выделяют пять этапов: эмбриональный - образование зиготы, формирование семени; ювенильный - прорастание зародыша и образование вегетативных органов; зрелость - появление зачатков цветков, формирование репродуктивных органов; размножение (плодоношение) - однократное или многократное образование плодов; старение - преобладание процессов распада и малоактивности структур [1].

Ювенильный этап начинается с прорастания семян или органов вегетативного размножения и характеризуется накоплением вегетативной массы. Растения на этом этапе не способны к половому размножению.

Этап зрелости и размножения - происходит формирование генеративных органов и образование плодов. У растений выделяют половое, бесполое и вегетативное размножение. При половом размножении новый организм появляется в результате слияния половых клеток - гамет. Бесполое размножение характерно для споровых растений, у которых чередуются два поколения - бесполое диплоидное и половое гаплоидное. При бесполом размножении новый организм развивается из спор. Вегетативным размножением называют воспроизведение растений из вегетативных частей растения (клубней, луковиц, отводок).

Инициация перехода к цветению осуществляется под действием температуры (яровизация), чередования дня и ночи (фотопериодизм) или эндогенных факторов, обусловленных возрастом растения. Растения, нуждающиеся в яровизации, называют озимыми, а развивающиеся без нее - яровыми. Яровизация - это неизвестный пока процесс, протекающий в растениях под действием низких положительных температур и способствующий последующему ускорению развития растений. Различия между озимыми и яровыми формами зерновых культур обусловлены генетически. Так, озимая и яровая рожь различаются по одному гену. В зависимости от реакции на длину дня, растения делятся на короткодневные, переходящие к цветению только тогда, когда день короче ночи (рис, соя); длиннодневные (хлебные злаки, крестоцветные, укроп); растения, нуждающиеся в чередовании разных фотопериодов, а также нейтральные по отношению к длине дня (гречиха, горох). Длиннодневные растения распространены, в основном, в умеренных и приполярных широтах, короткодневные - в субтропиках.

У большинства растений наибольшей чувствительностью к фотопериоду обладают листья, только что закончившие рост. Основную роль в восприятии фотопериода играет фитохром. Показано участие в переходе к цветению стимулятора роста гиббереллина. В условиях неблагоприятного фотопериода в листья обнаруживаются ингибиторы цветения [2].

Оплодотворение делят на три фазы: а) опыление, б) прорастание пыльцы и рост пыльцевой трубки в тканях пестика, в) собственно оплодотворение, то есть образование зиготы. Зигота образуется при слиянии спермия пыльцевой трубки (мужской гаметофит) с яйцеклеткой зародышевого мешка (женский гаметофит). В зародышевом мешке происходит двойное оплодотворение, так как второй спермий соединяется с вторичным диплоидным ядром центральной клетки зародышевого мешка. Зародыши проходят ряд последовательных фаз развития. На последнем этапе созревания семена теряют значительное количество воды и переходят в состояние покоя, когда в тканях уменьшается содержание стимуляторов роста и увеличивается количество ингибитора роста абсцизовой кислоты.

Плод развивается из завязи цветка и, как правило, содержит семена. Плоды могут формироваться без оплодотворения и образования семян. Это явление называют партенокарпией. Образование партенокарпических (бессемянных) плодов может происходить при обработке растений ауксинами и гиббереллинами. Однако обычно цветки без опыления и оплодотворения опадают [3].

Этап старости и отмирания включает в себя период от полного прекращения плодоношения до смерти организма. Для него характерно прогрессирующее ослабление жизнедеятельности. Однолетние растения погибают целиком. У многолетних трав ежегодно полностью отмирает надземная часть, а корневая система остается жизнеспособной. У многих растений стареют и опадают ранее образовавшиеся листья. У листопадных деревьев осенью одновременно стареют и опадают все листья. Перед опадением листа или плода в основании черешка листа или плодоножки образуется отделительный слой, где размягчаются и частично растворяются клеточные стенки и срединные пластинки. Этот процесс индуцируется этиленом, продуцируемым стареющими листьями и созревающими плодами.

1.3 Влияние факторов внешней среды на рост растений

На рост растений оказывают влияние продукты жизнедеятельности других растений (явление аллелопатии), микроорганизмов (антибиотики, регуляторы роста) и факторы внешней среды [4].

Свет. Растения воспринимают свет не только как источник энергии, но и в качестве сигнала, характеризующего условия среды. В клетках имеются рецепторные молекулы фитохрома, опосредующие действие света на морфогенез. Фитохром состоит из двух белковых субъединиц и хромофора -незамкнутого тетрапиррола, относящегося к группе фикобилинов. Фитохром синтезируется в форме Ф660, поглощающей красный свет. Под действием красного света он переходит в активную форму Ф730, поглощающей дальний красный свет. Под действием дальнего красного света и в темноте Ф730 превращается в Ф660. Фитохром изменяет проницаемость клеточных мембран, регулирует движение хлоропластов и влияет на синтез ферментов и стимуляторов роста гиббереллинов и цитокининов.

Температура. Различают три основные температурные точки: минимальная температура, при которой начинается рост, оптимальная - наиболее благоприятная для роста и максимальная, при которой рост прекращается.

В зависимости от приспособленности к температурному режиму различают теплолюбивые (минимальная температура выше 10 °С, оптимальная 30-40 °С) и холодостойкие (минимальная температура 0-5 °С, оптимальная 25-30 °С).

Газовый состав. Необходим кислород, так как дыхание поставляет энергию для ростовых процессов, и углекислый газ, который в ходе фотосинтеза восстанавливается до органических веществ. Избыток углекислого газа на короткое время повышает растяжимость клеточных стенок и стимулирует рост клеток (эффект «кислого роста»).

Водный режим. Недостаточное снабжение растений водой задерживает рост побегов и кратковременно стимулирует с последующим торможением рост корней.

Минеральное питание. Для нормального роста необходимо достаточное снабжение всеми питательными элементами. Избыток азота стимулирует рост вегетативной массы, но замедляет процессы дифференцировки и формирование цветков [5].



2. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЛИЯНИЯ НЕКОТОРЫХ БИОСТИМУЛЯТОРОВ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ

Фитогормоны - это вещества, образующиеся в процессе обмена веществ и необходимые в очень малых количествах для запуска и регуляции физиологических и морфогенетических программ растений. Они являются природными регуляторами роста и развития растений. Эти вещества образуются в определённых тканях растений и транспортируются в другие органы и ткани, оказывая на них влияние. Основные физиологические процессы, такие как рост, развитие, формообразование и адаптация факторам среды, регулируются фитогормонами [6].

Характерной особенностью фитогормонов, отличающей их от других физиологически активных веществ (витаминов, микроэлементов), является то, что они переключают физиологические и морфогенетические программы. Согласно современной классификации фитогормоны - это биологические регуляторы роста и развития растений, осуществляющие взаимодействие клеток, тканей и органов, стимулирующие и ингибирующие морфогенетические и физиологические процессы в растительных организмах.

Активные формы фитогормонов действуют только на компетентные к этим фитогормонам клетки, то есть на клетки, в мембранах и цитоплазме которых присутствуют рецепторы специфические для этих фитогормонов. Взаимодействие фитогормона со своим рецептором запускает цепь реакций преобразования гормонального сигнала в функциональные ответы клетки. Эти ответы могут быть разными в зависимости от типа рецепторов, концентрации фитогормона и соотношения этой концентрации с уровнем других фитогормонов, а также от взаимосвязи рецептора с теми или другими молекулярными комплексами, участвующими в трансдукции гормонального сигнала.

По функциональному действию различают 5 основных групп фитогормонов - ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота, этилен. Они подразделены на фитогормоны - стимуляторы (ауксины, гиббереллины, цитокинины и открытые сравнительно недавно -брассиностероиды или брассины, жасминовая и салициловая кислоты) и ингибиторы (абсцизовая кислота, этилен и фенольные ингибиторы) [6].

2.1 Стимулирующие фитогормоны

Природные стимулирующие фитогормоны

Ауксины - это группа веществ, продуцируемая растущими верхушками (апексами) стеблей и корней, являются веществами индольной природы. Его химическая структура приведена на рисунке 2 [7].

Рисунок 2 - Структурная формула индолил-3-уксусной кислоты (гетероауксина)

Основным фитогормоном типа ауксина является индолилуксусная кислота (ИУК). Их открытие связано с исследованиями Ч. Дарвина (1860), который установил, что если осветить проросток злака с одной стороны, то он изгибается к свету. Но если верхушку проростка лишить света экранированием и после этого создать условия одностороннего освещения, то изгиба не происходит. Таким образом, было установлено, что органом, воспринимающим одностороннее освещение, является верхушка растения, тогда как сам изгиб происходит в нижней части проростка, а в его верхушке под влиянием одностороннего освещения вырабатывается вещество, которое передвигается вниз и вызывает изгиб [7].

Фитогормоны типа ауксина - ИУК и некоторые близкие к нему соединения широко распространены в растениях. Они сконцентрированы в основном в растущих частях растительного организма: верхушках стебля, молодых растущих частях листьев, почках, завязях, прорастающих семенах, а также пыльце. Образуются в верхушках (апексах) стеблей и корней, затем перемещаются ниже - в зону растяжения клеток - и способствуют их удлинению. Ауксины передвигаются от верхушки побега вниз к его основанию, а затем от основания корня к его окончанию, т.е. полярно. Скорость транспорта ауксинов составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в час. При недостатке кислорода или торможении процесса дыхания различными ингибиторами передвижение ауксинов приостанавливается.

Образование ИУК осуществляется из аминокислоты триптофана, а он синтезируется из шикимовой кислоты. Но выявлен и триптофан-независимый синтез ауксина - из индола и индолглицерофосфата. Содержание ИУК связано не только со скоростью его образования, но и от активности его распада. Основным ферментом, обеспечивающим распад ИУК, является ИУК-оксидаза.

На образование ИУК значительное влияние оказывают внешние условия (снабжение растения азотом, обеспечение водой, степень освещения, эпифитная микрофлора). За счёт изменения содержания фитогормонов осуществляется первоначальное влияние условий внешней среды на процессы обмена веществ и рост. В процессе онтогенеза растительного организма содержание ауксинов изменяется [8].

Ауксины и другие фитогормоны играют существенную роль в синтетической деятельности клеток и являются одним из необходимых условий процесса образования и самовозобновления цитоплазмы. Образующиеся в растениях ауксины - существенное звено регуляции передвижения пластических веществ в растительном организме. Клетки и ткани становятся центрами притяжения воды и питательных веществ, что провоцирует усиление роста клеток и тканей. То есть ауксины являются регуляторами передвижения и распределения разных веществ в растительном организме, регулируя полярность в тканях и органах растений. Они являются важными факторами синтетических превращений, ведущих к перестройке исходных питательных веществ в структурные элементы клеток. В связи с усилением общего обмена под действием стимуляторов роста часто происходит такое перераспределение веществ, при котором расходуются обычно не используемые ранее ресурсы питательных веществ растения.

Препарат на основе ауксина - гетероауксин применяют для укоренения черенков, саженцев. Превышение дозы препарата или времени обработки ведет к синтезу этилена, что неблагоприятно для растений.

Гиббереллины. Представляют собой соединения, относящиеся к дитерпеноидам флуоренового ряда и очень сходны между собой по структуре. Их химическая структура представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структура молекулы гиббереллина

Впервые были открыты японскими учёными Куросава и Сумика (1926) при исследовании болезни риса (чрезмерном его росте), вызываемой грибом рода Gibberella (сейчас его перенесли в род Fusarium). Его соотечественник Т. Ябута (1935) выделил из этого гриба гиббереллин в кристаллическом виде и дал ему это название. К 1955 г. была окончательно установлена структура первого гиббереллина. Растения вырабатывают похожие вещества - эндогенные гиббереллины. Это самый обширный класс растительных гормонов, их известно уже более 100 [9].

Основной структурной единицей этих гормонов считается гиббереллин ГК9, а остальные рассматриваются как его производные. Они не устойчивы и быстро разрушаются в кислой или щелочной среде. Наибольшей биологической активностью чаще обладает гибберелловая кислота (ГК3), отличающаяся от ГК9 наличием гидроксилов у углеродов и двойной связью.

Гиббереллины вырабатываются в основном в фотосинтезирующих листьях, но могут синтезироваться и в корнях. Они индуцируют и активируют рост стеблей растений, вызывают прорастание покоящихся семян и нарушают период покоя у растений, стимулируют цветение фотопериодически чувствительных растений, способствуют образованию партенокарпических плодов (у винограда, шиповника, вишни, яблони), стимулируют образование и лигнификацию вторичной ксилемы клеток (число лигнифицированных клеток возрастает с увеличением дозы гибберелловой кислоты).

Гиббереллины применяют в практике растениеводства для повышения выхода волокна конопли и льна, для увеличения размеров ягод у бессемянных сортов винограда, для повышения урожайности трав, стимуляции прорастания семян (обработка нарушает состояние покоя тканей и оказывает стратифицирующее действие на семена; при естественном выходе семян из состояния покоя содержание эндогенных гиббереллинов повышается). Из-за вызываемого ими резкого ускорения роста зелёной массы растений, применение их должно сопровождаться усилением питания растений.

Обработка гиббереллинами не влияет на рост корня или угнетает его при увеличении концентрации. Гиббереллины ускоряют деление клеток в зоне, непосредственно примыкающей к верхушке стебля, и рост в фазе растяжения, стимулируют рост (главным образом стеблей и черешков) сильнее ауксинов. При некоторых условиях они могут ускорять рост листьев, цветков и плодов, а также развитие растений, зависящее от температуры и фотопериода, а в определённых условиях - цветение и завязывание плодов. Свет способствует его образованию в растении. Отсутствие или избыток этого гормона определяют некоторые патологические симптомы - карликовость или чрезмерный рост [9].

Рост стебля под действием гиббереллина усиливается не вследствие увеличения междоузлий, а главным образом из-за усиления их роста. Подобно ауксинам, гиббереллин может стимулировать растяжение и деление клеток, однако для него характерно действие на клеточное деление в меристематической зоне. Митозы, возникшие под действием гиббереллинов, ориентируются вдоль главной оси, что в конечном итоге вызывает удлинение стебля. В растении ИУК и гибберелловая кислота взаимодействуют, стимулируя образование новой ксилемы. При росте стебля ИУК активирует транспорт гиббереллина к растущему апексу, а гиббереллин активирует базипетальный транспорт ИУК.

Цитокинины. До 1950-х гг. получить культуры растительных клеток не удавалось. Над этой проблемой работал американец Фольке Скуг. Полученную из стеблей табака сердцевинную паренхиму помещали на искусственные среды, содержащие минеральные вещества, сахар, витамины, аминокислоты, а также ИУК. Клетки паренхимы приступали к делениям, но рост быстро останавливался. В лаборатории Ф. Скуга перепробовали различные добавки: экстракт дрожжей, томатный сок, сок листьев табака, и все безрезультатно. Небольшого успеха удалось добиться только при добавлении в среду кокосового молока. В 1950-х гг. ученые обнаружили, что наследственная информация передается от родителей к потомкам с помощью ДНК (механизм этого явления был не известен). Ф. Скуг предположил, что растительным клеткам не хватает ДНК. В среды начали добавлять ДНК из молок сельди (самый дешевый источник ДНК), но клетки не делились.

Открытие цитокининов состоялось благодаря ошибке ассистента. Он случайно нарушил режим стерилизации, в результате чего нежные молекулы ДНК поверглись гидролизу с образованием производного одного из четырех пуриновых оснований. Это вещество назвали кинетином (от греч. kinesis - деление, структура которого представлена на рисунке 4.

В 1962 г. из семян кукурузы был выделен природный цитокинин-зеатин-6-(4-окси-3-метил-2-енил)-аминопурин [10].

Рисунок 4 - Структура молекулы кинетина

В зоне дифференцировки корня цитокинины отвечают за образование проводящей системы. Так как корень нуждается в продуктах фотосинтеза, транспортируемых флоэмой, цитокинины стимулируют закладку элементов флоэмы.

Цитокинин - это запрос на фотоассимиляты. Если ткань способна образовать хлоропласты, то под действием цитокинина синтезируется хлорофилл. Даже при недостатке света семядоли тыквы, обработанные цитокинином, приобретают зеленый цвет, появляются хлоропласты.

Цитокинины подавляют рост боковых корней. Под их действием развиваются боковые почки на побегах. Таким образом, цитокинины снимают апикальное доминирование, вызванное ауксинами. Они стимулируют рост бессемянных плодов. Обработка цитокинином выводит из состояния глубокого покоя клубни и семена ряда растений, спящие почки древесных растений, повышает энергию и всхожесть семян гороха, кукурузы, люпина, ячменя [11].

Цитокинины стимулируют клеточное деление и заметно повышают его скорость (цитокинез), индуцируют заложение и рост стеблевых почек, как у целых растений, так и у недифференцированных каллусов, а также продлевают жизнь и поддерживают нормальный обмен веществ у изолированных листьев, вызывают их вторичное позеленение.

Классифицируют два типа этих гормонов: аденинового типа, представленные кинетином, зеатином и 6-бензиламинопурином и фенил-мочевинового типа, представленные дифенилмочевиной или тидиазуроном.

Цитокинины аденинового типа синтезируется в основном в корнях, а также в стеблях и листьях. Камбий и другие активно делящиеся ткани растений также являются местом их синтеза. Не показано, что цитокинины типа фенилмочевины естественно встречаются в тканях растений. Они участвуют в местной передаче сигнала, а также в передаче сигнала на расстоянии, причем последний механизм также используется для транспорта пуринов и нуклеозидов, регулируют деления клеток, морфогенез побега и корня, созревание хлоропластов, линейный рост клетки, образование добавочных почек и старение.

Цитокинины не только стимулируют клеточное деление, но и могут изменять строение растительных клеток, выращиваемых в культуре. Если концентрация цитокинина в питательной среде мала (не более 10-9 М), образуются только рыхлые, непрочные ткани. При несколько более высоких концентрациях (от 10-8 до 10-7 М) на поверхности клеточной массы развиваются корешки, и, наконец, при ещё более высоких концентрациях (около 3х10-6 M) начинается образование побегов [12].

Большую роль они играют и в мобилизации, притягивании питательных веществ к местам их локализации. Наиболее активное действие этих фитогормонов проявляется при их взаимодействии с другими, особенно с ауксинами. Цитокинины способны так же вызывать резкую активацию клеточного деления в культуре тканей. Они выполняют регуляторную функцию в растении, а один из их главных физиологических эффектов - способность индуцировать органогенез в культуре тканей растений. Однако эта морфогенетическая особенность цитокининов зависит от уровня других фитогормонов [13]. клеточный синтетический фитогормон растение

Цитокинины повышают устойчивость клеток к самым различным неблагоприятным воздействиям, таким как, температурный стресс, обезвоживание, грибная и вирусная инфекция, механическое воздействие и влияние различных химических агентов.

Гормональная регуляция в культуре клеток и тканей, известна, как правило Скуга-Миллера: если концентрация ауксинов и цитокининов в питательной среде относительно равны или концентрация ауксинов незначительно превосходит концентрацию цитокининов, то образуется каллус; если концентрация ауксинов значительно превосходит концентрацию цитокининов, то формируются корни; если концентрация ауксинов значительно меньше концентрации цитокининов, то образуются почки и побеги [14].

Синтетические стимулирующие фитогормоны

К числу регуляторов роста, которые могут синтезироваться микроорганизмами, относятся ауксины (ИУК), вырабатываемые азотобактером; гиббереллины, выделяемые из грибов Fusarium moniliforme u Gibberella fujikuroi. Для промышленного получения гиббереллина используют гриб Fusarium. Фитопатогенный гриб Fusicoccum amygdali используется для синтеза фузикокцина.

Кроме природных, в биотехнологии и растениеводстве широко применяются синтетические регуляторы роста: аналоги и антагонисты известных групп фитогормонов (ауксинов, цитокининов, гиббереллинов, брассиностероидов, этилена, абсцизовой кислоты) [15].

Ряд синтетических аналогов ауксинов используется для повышения корнеобразования: индолил 3-уксусная кислота (ИУК), индолил-3 -масляная кислота (ИМК), б-нафтилуксусная кислота (НУК). Их применяют как в культуре in vitro при микроразмножении, так и при традиционном производстве посадочного материала плодовых и ягодных растений на основе размножения зелеными или одревесневшими черенками.

Обмакивание в порошок, содержащий ауксин в смеси с фунгицидом и тальком, кратковременная обработка конца черенка спиртовым раствором препарата и длительное замачивание в водном растворе (12-24 часа).

К аналогам ауксинов относятся фенилпроизводные: 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4- Д); 4-хлорфеноксиуксусная кислота (4-Х); 2,4,5 - трихлорфеноксиуксусная кислота (2,4,5-Т). Эти вещества обладают высокой активностью, вызывают каллусогенез в культуре in vitro, а в растениеводстве применяются как гербициды.

К антиауксинам может быть отнесена 2,3,5-трийодбензойная кислота (ТИБК), снимающая эффект апикального доминирования и обеспечивающая увеличение числа продуктивных побегов.

К числу синтетических цитокининов относятся кинетин, 6-бензилами-нопурин. Основное их назначение - использование в культуре in vitro для активизации деления клеток и процесса регенерации, а также снятия эффекта апикального доминирования и увеличения коэффициента размножения при клональном микроразмножении растений [15].

Гиббереллины получают путем микробиологического синтеза из патогенного гриба Gibberella fujicuroi. Они аналогичны гиббереллинам растений. В биотехнологии чаще используют гибберелловую кислоту ГА3 для удлинения стебля микрорастений при клональном микроразмножении. В растениеводстве часто применяют гибберсиб (натриевые соли гиббереллиновых кислот) для повышения урожая и качества продукции у картофеля, гороха, фасоли, люцерны, лука репчатого, капусты, огурцов и томатов. У томатов гибберсиб стимулирует образование завязей.

Среди брассиностероидов наибольшее практическое распространение получил синтезированный эпибрассинолид (препарата «Эпин»), рекомендованный на ряде полевых, овощных и декоративных растений.

Среди производных этилена практическое применение нашла 2- хлорэтилфосфоновая кислота (2-ХЭФК, этефон), способная распадаться с выделением этилена. Такжена основе этефона рекомендован серон, применяемый как ретардант для предотвращения полегания и повышения урожая озимой пшеницы и ярового ячменя [16].

2.2 Ингибиторы роста растений

Природные ингибиторы роста растений

Абсцизовая кислота (от англ. abscission - отделение, опадение), гормон растений, регулирующий процессы увядания, опадения листьев, покоя. Тормозит рост растений [17]. По химической природе изопреноид-сесквитерпеноид с 15 атомами углерода, соединенными в изопреновые С5-звенья. Его химическая структура приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структура молекулы абсцизовой кислоты

Абсцизовая кислота затормаживает ростовые и метаболические процессы, подавляет устьичную транспирацию в условиях засухи, способствует формированию и покою семян, клубней и корнеплодов, а также облегчает опадение цветков и плодов многих растений. Её биосинтез происходит путём специфического расщепления каротиноидов типа виолаксантина. В природе она может образовывать конъюгаты, в первую очередь с углеводами, что ведет к инактивации этого фитогормона.

Абсцизовая кислота особенно значима для поддержания водного баланса в условиях засухи. Недостаток влаги ведёт к резкой активации синтеза этого фитогормона и его выходу из мест депонирования во внутри- и внеклеточное пространство.

На биохимическом уровне различают быстрые и медленные эффекты этого фитогормона. Быстрые эффекты происходят за считанные минуты на уровне плазматической мембраны (устьичных клеток) и связаны асимметричным транспортом ионов калия, кальция и анионов через мембрану, в результате чего замедляется поступление воды в устьичные клетки и их тургор падает. Медленные же эффекты связаны с изменением активности (активацией или репрессией) определенного набора компетентных генов, характерного для данной ткани. Её открытие стимулировало работы по созданию новых форм устойчивых к засухе растений, а также синтезу эффективных химических регуляторов транспирации растений [17].

Этилен - ненасыщенный углеводород (СН2=СН2) продукт жизнедеятельности растительных тканей, активно подавляющий ряд метаболических и формообразовательных процессов, активируемых ауксинами [18].

В 1901 г. Д.Н. Нелюбов при выращивании гороха обнаружил, что в лаборатории Санкт-Петербурга проростки были укороченные, искривлялись, верхушка была согнута в апикальную петельку. В теплице и на свежем воздухе проростки были ровные, рослые, апикальная петелька на свету распрямлялась. Он предположил, что фактор, вызывающий такой эффект, находится в воздухе лаборатории.

В те годы помещения и улицы освещали газом. Было замечено, что при аварии в газопроводе ближайшие деревья преждевременно желтели и сбрасывали листья. Исследуя состав светильного газа и действие компонентов на растения, автор установил, что находящийся в газе этилен вызывает: 1) замедление роста в длину и утолщение проростка; 2) «не 45 разгибающуюся» апикальную петельку; 3) изменение ориентации проростка в пространстве.

Наблюдаемая физиологическая реакция была названа тройным ответом на этилен. Оказалось, что растения «чувствуют» этилен уже в концентрации >0,0001 %. Этилен вызывает листопад, созревание плодов и другие ответы. Этилен при этом синтезируется в растениях, т.е. является гормоном. Синтез этилена в растениях начинается с метионина, который, взаимодействуя с АТФ, образует S-аденозилметионин.

Этилен угнетает рост побегов в длину, способствует опадению листьев, ингибирует рост главного корня. Если ауксинов в растении слишком много, то начинается синтез этилена - фитогормона-ингибитора. Если обрабатывать растение естественными ауксинами (ИУК, ИПВК и др.), то оно быстро утилизирует их, окисляя или «отправляя в запас» избыток ауксинов. Синтез этилена в наибольшем количестве наблюдается там, где высока концентрация ИУК. Кроме того, большое количество как абсцизовой кислоты (АБК), так и этилена накапливается в любых органах, находящихся в состоянии стресса. Поэтому эти фитогормоны часто называют стрессовыми [18].

При нападении насекомых и клещей выделяется этилен, в основании листа активизируется перидерма, происходит локальный «листопад»: поврежденный лист опадает на землю вместе с вредителем. Шансы вновь добраться до кроны у вредителей уменьшаются. При регуляции ряда физиологических процессов он действует совместно с абсцизовой кислотой. Синтетические этилен или этиленпродуценты применяется для ускорения послеуборочного созревания плодов (бананов, томатов и других). Используются также 2-хлорэтил-фосфоновая кислота, высвобождающая этилен в растительных тканях, и многочисленные препараты, созданные на её основе. При их применении синхронизируется цветение ананасов, ускоряется созревание плодов на растениях и после уборки, подавляется рост стебля, увеличивается число боковых побегов у целого ряда зерновых, бобовых и овощных культур.

При нарушении биосинтеза этилена плоды не дозревают. На основе мутантов по биосинтезу этилена уже получены сорта томатов, которые очень долго хранятся и выдерживают дальние перевозки. Перед продажей для ускорения созревания плодов обрабатывают этиленом, однако эта технология снижает их вкусовые качества. В качестве продуцентов этилена применяют регуляторы на основе 2-хлорэтилфосфоновой кислоты - препарат этефон и его бискислые (дважды кислые) соли с гидразином (препарат гидрел) и диметилгидразином (дигидрел), синхронизирующие созревание плодов, а также зарубежные препараты этрел, кампозан, флордимекс, томатрел, церон, флорел, этрел-С и др. [18].

Фенольные ингибиторы роста растений - относятся к природным ингибиторам. Среди них известны: кумарин; кофейная, хлорогеновая, коричная, ферулоновая, салициловая и n-оксибензойная кислоты; скополетин, нарингенин (всего около 2000). Они являются производными шикимовой кислоты, а затем фенилаланина и тирозина, далее коричной и паракумариновой кислот. Эти фенолы снижают активность фитогормонов, а также непосредственно подавляют рост растений, тормозя его через обмен веществ, оказывая неспецифическое действие на обмен веществ. В тоже время ферулоновая кислота активирует ИУК-оксидазу. Из них наиболее распространена салициловая кислота (от лат. названия ивы - Salix L., из коры которой она была впервые выделена) - 2-гидроксибензойная или фенольная кислота, С6Н4(ОН)СООН [19]. Ее химическая структура приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Структура молекулы салициловой кислоты



Салициловая кислота - это фитогормон, вызывающий повышение температуры в отдельных органах термогенных растений (в частности лилии вуду). Это происходит по причине разрыва транспорта электронов в митохондриальной дыхательной цепи. Активно изучается роль салициловой кислоты в развитии не специфической реакции на стрессогенные факторы и накопление в клетках активных форм кислорода.

Фенольные ингибиторы обеспечивают покой семян, почек, клубней, луковиц (при этом их концентрация возрастает). Они также участвуют в транспорте электронов, биосинтезе лигнина. Механизм тормозящего действия синтетических ингибиторов на растения недостаточно изучен. Установлено, что большинство из них задерживает рост путём разобщения процессов фосфорилирования и дыхания, подавления синтеза нуклеиновых кислот [19].

Морфактины - соединения, вызывающие аномалии в точке роста и появление уродливых органов у растений. К ним примыкают вещества, специфически задерживающие передвижение ИУК и её производных по растению. Синтетические ингибиторы, в отличие от природных, способны более резко подавлять ростовые процессы, длительный период не поддаются инактивации растительными тканями, характер их действия часто связан не только с ростом, но и с нарушением морфогенетических процессов.

Брассиностероиды. В 1979 г. М.Д. Гроув с соавторами обнаружили, что масляный экстракт из пыльцы рапса стимулировал рост проростков в длину. Из 10 кг пыльцы удалось выделить всего 4 мг действующего вещества. Это оказалось стероидное соединение. Вещество было названо брассинолидом, а все похожие на него вещества с физиологической активностью называют брассиностероидами. Вскоре из чая (Thea) был выделен теастерон, из настоящего каштана (Castanea sativa) - кастастерон, из рогоза (Typha) - тифастерол, из катарантуса (Catharanthus) - катастерон и т.д. В настоящее время известно более 60 брассиностероидов [20].

Биосинтез брассиностероидов включает общие для других терпеновых соединений стадии: изопентенилпирофосфат, геранилпирофосфат, фарнезил-пирофосфат, сквален. Первым специфическим продуктом, из которого синтезируются остальные брассиностероиды, является 24-метиленхолестерол, превращающийся в кампестерин и кампестанол. От кампестанола расходятся две параллельные ветви биосинтеза, часто одновременно сосуществующие в растениях: с ранним и с поздним окислением в С-6-положении. В итоге обе ветви биосинтеза заканчиваются брассинолидом - физиологически активным брассиностероидом.

Брассиностероиды действуют на проростки, усиливая растяжение. При недостаточном синтезе брассиностероидов наблюдается частичная и полная мужская стерильность. Действие брассиностероидов и ауксинов на корневую систему противоположно: ауксины стимулируют ризогенез, а брассиностероиды ингибируют образование корней.

В больших дозах брассиностероиды сдерживают рост и повышают устойчивость к неблагоприятным внешним факторам: перегреву, засухе, заморозкам, инфекции. Препарат «Эпин» (сельскохозяйственный эпибрассинолид) помогает вырастить более крепкие и здоровые растения [20].

Жасминовая кислота. Впервые жасминовая кислота (жасмонат) была выделена в 1962 г. из эфирного масла жасмина крупноцветкового, где она присутствует в виде летучего эфира метилжасмоната. Жасмонат и метилжасмонат ингибировали рост проростков, образование каллуса, прорастание пыльцевых трубок, способствовали закрытию устьиц, стимулировали образование клубней и луковиц, влияли на цитоскелет, переориентируя его [21].

Синтез жасминовой кислоты начинается с гидролиза фосфолипидов фосфолипазой А. Жасмонаты участвуют в двух различных регуляторных процессах: 1) сдерживают вегетативный рост и способствуют переходу в состояние покоя; 2) усиливают иммунный ответ. Во многих тестах АБК и жасмонаты вели себя как синергисты. Так, при воздействии жасмонатами до суток подавляется синтез РБФК и разрушается хлорофилл. Если в растениях ингибировать работу липоксигеназы, жасминовая кислота не образуется и теряется иммунитет к фитопатогенам. В иммунном ответе жасминовая кислота вызывает синтез экстенсинов (происходит упрочнение клеточной стенки и замедление роста, что неблагоприятно для патогенов), синтез белков тионинов (небольшие богатые цистеином белки, связывающиеся с мембранными структурами патогена с токсическим эффектом), синтез фитоалексинов (индуцибельных защитных соединений), салициловой кислоты и короткого пептида системина [21].

2.2.2 Синтетические ингибиторы роста растений

Гербициды (от лат. herba - трава и caedo - убиваю) - это химические вещества, применяемые для уничтожения растительности. Они относятся к веществам, обладающим резко ингибирующим действием, что и ведёт к уничтожению сорной растительности [22].

Гербициды бывают органические и неорганические, последние используют для сплошного уничтожения растений.

Основой использования гербицидов является принцип избирательности их токсического действия. Важна видовая реакция сорняков и культурных растений на гербициды.

Гербициды могут проникать в растения через наземные или подземные органы. Их вносят в почву или разбрызгивают по листьям.

Первый этап их действия - способность химических средств проникать в растения в местах контакта. Второй этап - перемещение внутри растения, а затем накопление в определённых органах и тканях. Третий этап - накопление в определённых органах или разрушение до нетоксических соединений.

По внешним признакам действия на растения и способам применения все гербициды подразделяются на три подгруппы: 1) контактного действия; 2) системного действия; 3) действия на корневую систему растений или прорастающие семена.

К гербицидам контактного действия относят вещества, поражающие листья и стебли растений при их непосредственном контакте с препаратом. В этом случае происходит нарушение нормальных процессов жизнедеятельности растения, и оно гибнет. Однако при использовании контактных гербицидов нередко наблюдается последующее отрастание новых побегов [22].

К гербицидам системного действия относят вещества, способные передвигаться по сосудистой системе растений. Попав на листья и корни растения, они быстро распространяются по всему растению, приводя его к гибели. Применение препаратов системного действия особенно ценно в борьбе с сорными растениями с мощной корневой системой и многолетними сорными растениями.

Третью группу гербицидов вносят в почву для уничтожения семян, прорастающих семян и корней сорных растений. В зависимости от характера действия препарат вносят для борьбы с нежелательной растительностью в следующие периоды: до посева культуры, до всходов сорных растений, до всходов культурных растений, после всходов культурных растений, в различные периоды вегетации [23].

Контактные гербициды (ДНОК, пропанид, грамоксон, пентахлорфенолят натрия), попав на растение, вызывают местное отравление участков ткани, которые быстро увядают, буреют и засыхают.

Системные гербициды (2,4-Д, 2М-4Х, симазин, атразин, монурон) способны передвигаться по сосудистой системе растений вместе с питательными веществами и продуктами обмена веществ, вызывая общее отравление (деформацию стебля и листьев растений, постепенное угнетение роста, хлоротичность, хрупкость листьев и стеблей, стерильность), что особенно ценно для борьбы с многолетними и имеющими мощную корневую систему сорняками

При обработке растений молекулы гербицида проникают в растения через надземные органы. Поэтому их используют на посевах зерновых культур для послевсходовой обработки в фазе полного кущения, когда на основном стебле имеется 4-5 листьев. Именно в этот период гербицид практически не вызывает снижения урожая злаковой культуры и его действие в основном направлено на сорную растительность. Основная часть гербицидов, попавших на листья, проникает в растения в течение нескольких часов. Отметим попутно, что норма внесения гербицида составляет обычно в среднем 1 кг/га в расчете на активное начало, а на сорную растительность попадает не более 5% от этого количества.

Хотя высокую избирательность действия обычно приписывают гербициду, однако это скорее заслуга самого культурного растения. Это оно не пускает в свои важные жизненные органы молекулы гербицида, переводит их в неактивную форму. Осуществляется всё это использованием набора защитных средств, прежде всего, благодаря анатомоморфологическим особенностям злаковых растений раствор гербицида слабо удерживается на поверхности листьев. Это обусловлено тем, что их листья содержат больше восков, менее опушены и в фазе кущения расположены почти вертикально. Следующее очевидное различие между культурными и сорными растениями по отношению к гербицидам заключается в степени проникновения в листья [23].

Глифосат. Является N-фосфонометильным производным аминокислоты глицина, что отражено в его тривиальном названии. Впервые гербицидные свойства этих веществ были обнаружены американским исследователем компании Monsanto Джоном Францем (1970). Торговое название глифосата - раундап (Roundup - круговая оборона, в честь круга из фургонов, из-за которого американские переселенцы отстреливались от индейцев). Раундап - гербицид «сплошного действия» [24].

Механизм действия глифосата обусловлено тем, что этот гербицид ингибирует фермент растений 5-еноилпирувилшикимат-3-фосфат-синтазу, который является компонентом ферментной системы шикиматного пути биосинтеза бензоидных ароматических соединений (содержащих бензольные кольца). Он занимает в активном центре фермента место фосфоенолпирувата и блокирует его активность. Поэтому при его внедрении в растение он проникает в клетки, блокирует синтез ряда необходимых соединений и растение погибает.

Исследования, проведённые Венским медицинским университетом, которые являются одними из первых, показали, что использование гербицида в низких концентрациях всё равно опасно. Наиболее чувствительными к цитотоксическим эффектам глифосата и повреждению ДНК оказались клетки эпителия. Учёные обнаружили генотоксичность при коротком контакте с концентрациями 450-кратного разведения, которое используется в сельском хозяйстве. Даже вдыхание паров раундапа при опрыскивании может вызвать разрушение ДНК клеток. Другими словами, глифосат токсичен для человека, а адъювант (полиоксиэтиленамин) усиливает проникновение гербицида внутрь, что значительно усиливает общий эффект. При этом возникают неходжкинские лимфомы, гормональные нарушения у детей, повреждения ДНК, снижение уровня тестостерона, рак печени, менингит, бесплодие, рак кожи и почек. Кроме того, раундап является экологической угрозой для воздуха и воды, а особенно грунтовых вод [24].

Десиканты - пестициды, применяемые в предуборочный период для высушивания надземных частей растений с целью ускорения созревания и облегчения уборки с.-х. культур: подсолнечника, картофеля, клещевины, хлопчатника, капусты, льна и др. В качестве десикантов используют обычно быстродействующие гербициды контактного действия, такие как реглон (дикват-дибромид) и Mg(ClO3)2*6H2O. В советский период (1986-1990) разрешены также NaCNS (дебос), Са(СlO3)2 в смеси с СаСl2, метоксурон (пуривел) и буминафос. Кроме того, мировой ассортимент входят: паракват-дихлорид, ДНОК, диносеб, пентахлорфенол натрия, пентахлорфенолят натрия, H3AsO4*5Н2О, аметрин, эндотал, глифосаты [25].

Наиболее распространённый способ применения - авиаопрыскивание водными растворами или дисперсиями десикантов. В настоящий период широко применяются следующие препараты.

Баста, ВР (150 г/л) - десикант, применяемый на подсолнечнике, клещевине, рапсе, льне-долгунце, клевере (семенные посевы). Способствует равномерному созреванию и улучшению качества семян, предотвращает осыпание семян; позволяет проводить прямое комбайнирование; сохраняет прочность стебля, что не вызывает проблемы полегания. Препаративная форма: водный раствор, содержащий 150 г/л глюфосината аммония.

Механизм действия: действующее вещество препарата - глюфосинат аммония - модификация существующего в природе продукта метаболизма почвенного гриба Streptomyces spp. По химической структуре он близок к аминокислоте глютамин. Этот препарат блокирует фермент глютаминсинтетазу вследствие чего в растительных клетках повышается содержание аммиака, что приводит к гибели клеток и остановке фотосинтеза. Скорость воздействия: симптомы действия видимы через 4-7 дней [26].

Реглон Супер, ВР - контактный десикант, предназначен для предуборочной десикации подсолнечника и гороха, а также семенников овощных, кормовых и технических культур. Действующее вещество - дикват-дибромид. Ускоряет процесс высушивания, особенно при неравномерном созревании растений, облегчает уборку. Препарат совместим в баковых смесях с мочевиной и/или аммиачной селитрой.

Механизм действия: действующее вещество препарата (дикват) адсорбируется живыми клетками растения, включается в процессы метаболизма растения и образует соединения, которые разрушают мембраны клеток растения. В результате этого клетки погибают, что приводит к подсушиванию растения [27].

Ураган Форте 500 SL, в. г. к. действующее вещество - глифосат в форме кислоты 500 г/л (производные глицина). Эффективный неселективный системный гербицид широкого спектра действия, уничтожает самые злостные сорняки (осот, пырей, свинорой, вьюнок и др.) и древесно-кустарниковую растительность; обработанные этим гербицидом сорняки не отрастают вновь, высокоэффективен для предуборочной десикации зерновых культур. Механизм действия препарата: блокирует синтез ароматических аминокислот и влияет на проницаемость клеточных мембран, что ведет к изменению осмотического давления и, в конечном итоге, к разрушению клеточных структур [28].

Дефолианты - вещество, вызывающее опадение листьев растений. В качестве дефолиантов применяют цианамид кальция, хлорат магния и так далее. Дефолианты отличаются от гербицидов тем, вызывают лишь опадение листьев, а не уничтожают растения и не останавливают их рост.

Число дефолиантов, используемых на практике, невелико. В советский период (1986-1990) были разрешены Mg(ClO3)2*6H2O, Са(СlO3)2 в смеси с СаСl2, гидрел. В мировой ассортимент входят также фолекс (C4H9S)3P, бутифос (C4H9S)3PO, 2-хлорэтилфосфоновая к-та (этефон) СlСН2СН2Р(О)(ОН)2, хлорат и бораты Na, какодиловая к-та (CH3)2As(O)OH, CaCN2, диметипин или харвейд, паракват-дихлорид и эндотал [29].

Ретарданты подавляют растягивание клеток стеблей во время их роста, усиливая их деление в поперечном направлении, блокируют в организме растения синтез гиббереллиновой кислоты, стимулирующей вытягивание стеблей, не причиняя ущерба другим физиологическим процессам. У растений укорачиваются междоузлия, а стебли становятся более жесткими и прочными, предотвращая культуру от полегания. Окраска листьев становится более сочной, насыщенной, темно-зеленой. Некоторые синтетические ингибиторы повышают устойчивость растений к засухе, холоду и загрязнению воздуха.

Хлорхолинхлорид (хлористый-2-хлорэтилтриметиламмоний), в нашей стране выпускается под названием ТУР. Как показали многочисленные испытания, хлорхолинхлорид нашел надежное применение в овощеводстве, особенно при выращивании рассады томатов. Обычно подготовка рассады в теплицах ведется при большой густоте посева и недостатке света. Из-за этого часто вырастают вытянутые и ослабленные растения. Опрыскивание рассады томатов в момент, когда у нее только образовалось два-три настоящих листа, раствором хлорхолинхлорида уменьшает высоту стебля в 1,5-2 раза за счет образования низкорослого утолщенного стебля, что очень удобно для механизированной посадки [30].

На основе N-диметил-гидразида янтарной кислоты была создана группа препаратов под торговым названием алар. С помощью алара предотвращают нежелательное явление - опадение плодов перед уборкой, а также ускоряют созревание и даже улучшают окраску плодов. Обработка кустов малины уменьшает в 2-3 раза длину побегов и тем самым повышает морозостойкость растений. Но есть у этого вещества и недостатки. Опасны повторные обработки, особенно взрослых деревьев. Они перегружаются урожаем, что приводит к резким и длительным перерывам в плодоношении. У некоторых сортов плодовых деревьев после обработки аларом урожай иногда теряется. Отрицательная черта алара - его высокая устойчивость и опасность накопления в окружающей среде. Для человека и теплокровных животных алар безвреден, но опасен для рыб [31].



3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИТОГОРМОНОВ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Для обработки растения экзогенными гормонами пользуются разными способами. Очень часто применяют пасту, приготовленную путем растирания небольшого количества гормона с ланолином. Этой пастой смазывают, например, поверхность стебля или его срез. Можно применять водные растворы гормона очень слабой концентрации. Срезанные побеги растений помещают нижним концом на некоторое время (от 3 до 18-24 ч) в эти растворы или опрыскивают ими отдельные органы [32].