Открытие гиббереллинов
В 20-х годах группа японских ученых, работавших в Токийском университете, исследовала широко распространенное во всем мире и весьма вредоносное заболевание проростков риса, которое вызывал гриб Gibberella (сейчас его относят к роду Fusarium ). Зараженные сеянцы вытягивались в длину, обесцвечивались и в конце концов погибали или давали очень плохой урожай. В 1926 г. был получен экстракт гриба, вызывавшего все эти симптомы у растений риса. В 1935 г. было получено в кристаллическом виде первое активное вещество, а к 1938 г.- еще два. Эти вещества были названы гиббереллинами по названию гриба. Языковые барьеры, а затем и вторая мировая война задержали развитие работ на Западе, но сразу же после окончания войны началось соревнование между английскими и американскими учеными, старавшимися выделить эти вещества. В 1954 г. английские исследователи выделили одно из активных веществ, которое они назвали гибберелловой кислотой . Оно оказалось третьим и наиболее активным гиббереллином (ГК 3) из числа тех, что были выделены в Японии. Вскоре были выделены гиббереллины из ряда высших растений, однако химическая структура ГК 3 была окончательно установлена только в 1959 г. (рис. 15.19). В настоящее время известно свыше 50 природных гиббереллинов, и все они лишь незначительно оличаются от ГК 3 .
Строение гиббереллинов
Все гиббереллины относятся к терпенам , очень сложной группе растительных веществ, близкой к липидам; все они - слабые кислоты и все содержат "гиббановый" скелет (рис. 15.19).
Синтез гиббереллинов и распределение их в растении
Больше всего гиббереллинов в молодых, растущих органах, и синтезируются они главным образом в молодых апикальных листьях (возможно, в хлоропластах), почках, семенах и кончиках корней. Отсюда они мигрируют вверх и вниз по растению - передвижение из листьев носит неполярный характер. Перемещаются они по флоэме и ксилеме.
Действие гиббереллинов
Подобно ауксинам, гиббереллины вызывают главным образом удлинение стебля, в основном путем растяжения клеток. С их помощью можно восстановить нормальный рост у карликовых сортов гороха и кукурузы или превратить карликовую фасоль во вьющуюся лиану (рис. 15.20), а также стимулировать рост побегов у обычных растений. Взаимодействие гиббереллинов с ауксинами будет рассмотрено в разд. 15.3.
Один из классических эффектов гиббереллинов, который очень интенсивно исследовали, пытаясь понять его механизм,- это выход из покоя семян некоторых растений, в особенности злаков. Прорастание семян вызывают, замачивая их в воде. После того как зародыш впитывает влагу, он начинает выделять гиббереллин, который диффундирует в алейроновый слой и стимулирует образование ряда ферментов, в том числе α-амилазы (рис. 15.21). Ферменты начинают расщеплять пищевые запасы эндосперма, и продукты их переваривания диффундируют в зародыш, где используются для его роста.
Гиббереллины — класс веществ, подобных органических кислот. Относятся к гормонам растений (фитогормоны). Стимулируют рост и развитие растений, способствуют прорастанию семян. По химической природе — дитерпены полициклические кислоты, которые относятся к карбоновых кислот. Основной структурой гиббереллины считают гиббереллин ГК9; другие гиббереллина рассматриваются как его производные. Известно более 100 гиббереллинов. Они указываются под шифром ГК. Например, гибберелловая кислота — ГК3, что является активной.
Гиббереллины было открыто группой японских ученых под руководством Еиши Куросавы, которая изучала болезнь риса «баканае», при которой интенсивно удлинялись стебли и листья растения. Болезнь спричинювалася грибом Gibberella fujikuroi. С экстракта гриба было выделено активное вещество, которое назвали гиббереллином.
Описание
По химической природе — это дитерпеновые тетрацикличные кислоты. Известно более 100 гибералинив, хотя лишь немногие из них имеют собственную биологическую активность (ГА1, га3, ГА4, ГА7 и некоторые другие). Гиббереллины образуются из мевалоновой кислоты, после чего проходят ряд стадий преобразования в различных частях клетки и в разных органах. Главными местами отдельных стадий биосинтеза является меристематическая ткани (верхушка побега, молодые листья, кончик корня, проводящие ткани), а также зрелое листьев, образования гиббереллины регулируется фотопериодом (длиной дня). Обычно свет активирует образование гиббереллинов и усиливает чувствительность к ним тканей. Гиббереллины и их предшественники транспортируются на дальние расстояния пассивно с ксилемним и флоемним током.
Гиббереллины обладают разнообразной физиологическому действию. Они стимулируют линейный рост стебля, активируя как деление клеток меристематическая зон, так и растяжение клеток. Они индуцируют образование цветоносов и цветения во многих розеточных длиннодневных растений. Важную роль гиббереллинами играют при формировании плодов и семян; кроме этого, они активируют прорастания семян, клубней и луковиц. Во многих однодомных и двудомных растений гиббереллины способствуют формированию мужских цветков. Гиббереллины задерживают старение листьев у ряда растений. На биохимическом уровне установлена способность гиббереллины индуцировать экспрессию генов — амилазы и других ферментов в алейроновому слое эндосперма при прорастании семян злаков. Гиббереллины широко используют в практических целях, обрабатывая растения экзогенными гормонами или управляя метаболизмом эндогенных гиббереллинов. Действие многих ретарданты — веществ, замедляющих рост растений в длину, основано на блокировании тех или иных стадий биосинтеза гиббереллинов в растениях. Обработка Гиббереллины способствует получению партенокарпических (бессемянных) плодов и стимулирует их рост в винограда, цитрусовых и груши. Гиббереллины применяют также для повышения выхода волокна у льна и конопли, при производстве солода, для увеличения вегетативной массы кормовых культур и других целей
Гиббереллинами очень эффективен как стимулятор прорастания семян. Он пробуждает семена ото сна. Под его действием происходит мобилизация запасных питательных веществ при прорастании семян.
Семечко состоит из зародыша, эндосперма и семенной кожуры. Запас питательных веществ сосредоточен в эндосперме в виде крахмала, жиров, белков.
Гиббереллин запускает процесс разрушения крахмала в семенах, семечко получает питательные вещества, необходимые для начала активного развития.
Достаточно обработать семена слабым раствором гиббереллинов, и количество и скорость прорастания семян резко увеличится.
При поступлении воды в сухие семена зародыш выделяет гиббереллин, который диффундирует в алейроновый слой и стимулирует образование ряда ферментов, в том числе а-амилазы. При выходе семян из покоящегося состояния в них накапливаются гиббереллины, поэтому обработка гиббереллином ускоряет процессы прорастания семян растений , активируя в них работу ферментов. Увеличивается % всхожести семян.
При обработке гиббереллином происходит рост растения в высоту.
Наиболее общим и ярким проявлением физиологического действия гиббереллина является его способность резко усиливать рост стебля у карликовых форм различных растений. Причины карликовости различны. Генетическая карликовость вызвана изменениями на генном уровне и может быть связана с нарушениями в синтезе гиббереллинов. Вместе с тем карликовость может быть обусловлена накоплением ингибиторов. В этом случае внесение гиббереллина лишь нейтрализует их действие. Обычно карликовость выражается в уменьшении длины междоузлий стебля при сохранении их числа. Обработанные гиббереллином карликовые растения выравниваются по высоте с нормальными, однако в последующих поколениях карликовость продолжает сохраняться. Молекулярно-генетические исследования расширили наши представления об особенностях регуляции роста этим фитогормоном. Известно много мутантов, у которых отсутствует этот гормон. Как правило такие гиббереллин-дефектные мутанты - карликовые растения, которые отличаются от нормальных одним геном, который кодирует образование гиббереллинов.
Слева контрольное растение. Правое растение было обработанно Гиббереллином. Под его действием происходит удлиннение стебля растения, его высота евеличивается.
Гиббереллины заметно усиливают вытягивание стебля и у многих нормальных растений . Так, высота стебля у многих растений под влиянием опрыскивания гиббереллином увеличивается примерно на 30-50% . Существует определенная зависимость между скоростью роста стебля растений и содержанием гиббереллинов. Так, содержание гиббереллинов и ход роста стебля конопли хорошо коррелируют друг с другом.
Это свойство позволяет некоторым исследователям считать гиббереллин гормоном роста стебля . Увеличение роста стебля происходит как за счет усиления деления клеток, так и за счет их растяжения. Влияние гиббереллинов на растяжение связано с образованием белка клеточной стенки экстенсина и повышением активности ферментов. Уже отмечалось, что на рост растяжением действует и ауксин, однако его эффект обусловлен в основном подкислением клеточной стенки. С ростом стебля и выходом растения из розеточного состояния (стрелкованием) связано влияние гиббереллина на зацветание длиннодневных растений в условиях короткого дня. Показано значение гиббереллинов для образования столонов у картофеля.
Гиббереллины, подобно ауксинам, участвуют в разрастании завязи и образовании плодов. Гиббереллины накапливаются в почках при выходе из покоящегося состояния. В соответствии с этим обработка гиббереллином вызывает прерывание покоя у почек .
В ряде случаев при действии гиббереллина возрастает общая масса растительного организма .
Растения гороха (Meteor drarf pea) и эффект от обработки гиббереллинов в разных концентрациях. Происходит общее увеличение зеленой массы растения.
Таким образом, он способствует не перераспределению питательных веществ, а общему их накоплению. Имеются данные, что гиббереллины накапливаются в хлоропластах. На свету влияние гиббереллина, внесенного извне, сказывается сильнее. Все это указывает на значение гиббереллина для регуляции процесса фотосинтеза. Данные по этому вопросу противоречивы. Однако показано, что гиббереллин усиливает процесс фотосинтетического фосфорилирования, в первую очередь нециклического, и, как следствие, основных продуктов этого процесса - АТФ и НАДФН (Н.И. Якушкина, Г.П. Пушкина). Одновременно наблюдается снижение содержания хлорофилла. Следовательно, под влиянием гиббереллина повышается интенсивность использования единицы хлорофилла, возрастает ассимиляционное число. В темноте гиббереллин воздействует лишь на растяжение клеток, не вызывая
возрастания интенсивности их деления (К.З. Гамбург). Можно полагать, что в темноте гиббереллин влияет косвенно через изменение уровня содержания ауксинов. При разных проявлениях гиббереллин действует разными путями.
Еще один пример аттрагирующего действия гиббереллинов — стимуляция развития бессемянных плодов. Особенно это важно при выращивании бескосточковых сортов винограда. Если применить гиббереллин, ягоды получаются более крупными и урожай возрастает.
Влияние гиббереллина на виноград.
Гиббереллин и цветение растений.
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 . В опытах М.Х.Чайлахяна к гиббереллину оказались чувствительными рудбекия, каланхоэ, морковь. Однако, другие виды (например, озимая пшеница) не цвели после обработки гиббереллинами, хотя для всех перечисленных видов важным индуктором цветения является длинный день. Таким образом, участие гиббереллина в регуляции цветения очевидно, хотя результат во многом зависит от частной физиологии того или иного растения.
Гиббереллин и проявление пола у растений
С помощью гиббереллина можно вызвать изменение пола у растений. В 1970-х годах под руководством М.Х.Чайлахяна были проведены исследования на огурцах и конопле. Огурцы образуют как мужские, так и женские цветки на одном растении, а конопля относится к типично двудомным растениям (мужские и женские цветки на разных экземплярах). Обработка гиббереллинами вызывала увеличение % мужских растений у конопли и усиливала закладку мужских цветков на огурцах. Гормоном-антагонистом в этих экспериментах выступал цитокинин, который вызывал образование женских цветков.
Иногда проявление пола зависит не только от вида, но и от генетической линии, к которой принадлежит растение. Например, обработка гиббереллинами томатов дикого типа вызывала образование избыточного числа гнезд в завязях (стимулировала женское развитие). У мутантов томата stamenless , лишенных тычинок, гиббереллин вызывал нормализацию андроцея, т.е. стимулировал развитие мужской сферы в цветке.
Несомненно, уровень гиббереллинов влияет на проявление пола у растений. Однако, результат зависит от вида, линии, и внешних обстоятельств, при которых проводится обработка.
ГИББЕРЕЛЛИНЫ , гормоны растений из группы дитерпеноидных кислот. Обозначаются ГА 1 , ГА 2 , ГА 3 (в последовательности выделения и установления строения). Обладая одинаковым молекулярным скелетом, гиббереллины отличаются друг от друга по типу, числу и расположению функциональных групп. В малых концентрациях гиббереллины широко распространены среди высших растений как эндогенные регуляторы роста. В более высоких концентрациях гиббереллины продуцируются грибами Fusarium moniliforme (конидиальная стадия аскомицета Gibberella fujikuroi, вызывающая гипертрофированный рост риса), Sphaceloma manihoticola и, возможно, другими микроорганизмами. Всего в растениях идентифицировано свыше 40 гиббереллинов, в грибах - свыше 20. Один из наиболее активных гиббереллинов - гибберелловая кислота (ГА 3), производится микробиологической промышленностью. В растениях гиббереллины синтезируются в интенсивно растущих органах - формирующихся семенах, верхушечных стеблевых почках, реже в корнях. В онтогенезе ассортимент и содержание гиббереллинов изменяются: при прорастании семян или цветении физиологически малоактивные гиббереллины - предшественники или связанные формы наиболее активных гиббереллинов - превращаются в последние (например, в ГА 3), а при созревании плодов и переходе к покою активные гиббереллины образуют неактивные формы (глюкозиды, сложные эфиры глюкозы и другие конъюгаты, а также продукты окислительного катаболизма). Наиболее характерный физиологический эффект гиббереллинов - ускорение роста органов (в большей степени стебля, в меньшей - корня) за счёт как деления, так и растяжения клеток. Кроме того, гиббереллины прерывают период покоя у семян, клубней и луковиц, индуцируют цветение длиннодневных растений на коротком дне, стимулируют прорастание пыльцы, вызывают партенокарпию плодов, устраняют физиологическую и генетическую карликовость; обработка озимых злаков гиббереллинами заменяет яровизацию. Гиббереллины - единственные из известных фитогормонов, для которых доказано непосредственное действие на биосинтез ферментов. Например, в прорастающих семенах злаков гиббереллины, образующиеся в зародыше, переходят в эндосперм, где индуцируют образование иРНК, ответственной за биосинтез α-амилазы и других гидролитических ферментов; этот эффект обеспечивает мобилизацию запасных веществ семени. Первичные рецепторы гиббереллинов в растительной клетке - цитоплазматические белки. Гиббереллины применяются в сельском хозяйстве для повышения урожайности бессемянных сортов винограда, выхода волокна льна и конопли, стимуляции прорастания семян, луковиц и клубней, а также при производстве солода.
Японский исследователь Е. Курасава в 1926 г. установил, что если питательную (культуральную) жидкость, на которой рос гриб гибберелла, нанести на проростки риса, то начинается активное растяжение стебля. По названию гриба выделенное из среды вещество было названо гибберелловой кислотой. Так был выделен почти одновременно с ауксином еще один класс гормонов – гиббереллинов.
В 1954 г. англичанин П. Кросс идентифицировал их структуру. Гиббереллины поздней были выделены из высших растений из неспелых семян:
Гиббереллины – фитогормоны, преимущественно класса тетрациклических дитерпиноидов. Все гиббереллины – карбоновые кислоты, поэтому их называют гибберелловыми кислотами. В настоящее время известно более 110 разных гиббереллинов (ГК), многие из которых не обладают физиологической активностью в растениях.
Биосинтетическим предшественником гиббереллинов служит энт-каурен. Гиббереллины классифицируются по числу углеродных атомов на С 19 - и С 20 -гиббереллины.
Биологическая активность ГК возникает только на последнем этапе биосинтеза. Предшественники ГК гормональной активностью не обладают. ГК в растениях подвергаются гликозидированию и связыванию с белками. В общем виде синтез ГК представлен на рис. 6.4.
Мевалонат → Гераниол → Гераниол-пирофосфат → каурен → → кауренол → кауреновая кислота → С 20 - и С 19 -гиббереллины
Рис. 6.4.Схема синтеза гиббереллинов
ГК синтезируются главным образом в корнях и листьях. Транспорт их осуществляется пассивно с ксилемным и флоэмным током.
ГК при нанесении на некоторые растения вызывают очень сильное удлинение стебля, а в ряде случаев и уменьшение листовой поверхности. Самое яркое проявление их действия – быстрая стимуляция удлинения цветоножки (стрелкование) и во многих случаях стимуляция цветения длиннодневных растений. У короткодневных растений ГК, вероятно, оказывают обратный эффект на цветение. Место действия ГК – апикальная и интерколярная меристемы.
Обработка ГК выводит семена и клубни некоторых растений из состояния покоя. Экзогенно введенный ГК снимает у двухгодичных растений необходимость в яровизации, стратификации у тех семян, для которых стратификация необходима. На айлероновых слоях эндоспермы зерновок ячменя показано, что под воздействием ГК индуцируется синтез матричных РНК, которые кодируют образование α-амилазы и других гидролаз, а также ГА влияет на синтез мембран ЭР.
ГК вызывают партенокарпию: для этого цветки необходимо опрыскивать раствором ГК. Ауксин тоже может вызывать партенокарпию, но ГК более активны. В тканях, обработанных ГК, как правило, увеличивается содержание ИУК. Схема основных физиологических функций гиббереллинов выглядит следующим образом (рис. 6.5).
Рис. 6.5. Схема основных функций ГК
Считают, что физиологической основой карликовости большинства растений является нарушение гиббереллового обмена, который приводит к недостатку эндогенных гиббереллинов.
Ауксины и гиббереллины представляют два сильно действующих класса регуляторов. Однако они не способны регулировать ход ростового процесса в онтогенезе. Ни один из них не способен повлиять на процесс зеленения изолированных листьев, закладку почек в культуре тканей.
Этими свойствами обладают цитокинины, получившие свое название из-за способности стимулировать цитокинез (клеточное деление). Учение о цитокининах начинается с открытия полуискусственного продукта – кинетина
который образуется из ДНК при кислотном гидролизе. Природный цитокинин был идентифицирован как зеатин
и получен он из неспелых зерновок кукурузы в начале семидесятых годов ХХ в.
В настоящее время цитокинин обнаружен в некоторых бактериях, водорослях, грибах и насекомых.
Сегодня так суммируют представления о биосинтезе цитокининов (рис. 6.6).
Рис. 6.6. Схема синтеза цитокининов
По существующим данным в бактериях осуществляется только путь 2, а у растений – оба пути.
Основное место синтеза цитокининов – корни; однако в последнее время получены данные о том, что синтез цитокининов может происходить и в семенах (семена гороха).
Из корней цитокинины пассивно транспортируются в наземные органы по ксилеме.
Известно множество физиологических эффектов цитокининов, из которых наиболее значимы (рис. 6.7):
– стимуляция клеточного деления и дифференциации;
– задержка процессов старения.
Рис. 6.7. Схема основных функций цитокининов
Роль цитокининов в процессах клеточных делений связана со стимуляцией репликации ДНК и регуляцией переходов из предшествующих фаз в фазу митоза. Имеются данные о действии цитокинина на транспорт K + , Н + , Са 2+ .
