Реферат: Влияние цитокинина на рост и развитие проростков пшеницы в зависимости от условий минерального питания
6-аминопурина с заместителем в аминогруппе при шестом атоме углерода пуринового кольца.
Пурин
Цитокинины пуринового ряда слаборастворимы в воде, но хорошо растворимы в этаноле, этиловом эфире, ряде щелочей и кислот. Цитокинины устойчивы к нагреванию, автоклавированию, действию щелочей и кислот.
Однако точная химическая характеристика цитокининов, как производных 6-аминопурина, затрудняется тем, что такими же свойствами обладает также дифенилмочевина и ее многочисленные производные. Очевидно, вопрос о химической характеристике цитокининов получит окончательное разъяснение только после установления молекулярного механизма их действия.
б) История открытия
Цитокинины были открыты в 1955 г. Скугом и Миллером с сотрудниками в Висконсинском университете в США. Их обнаружению помог так называемый “дефектный объект”, которым явился каллюс сердцевины стебля табака. Он образовался на кусочках сердцевины стебля в условиях стерильной культуры, но быстро прекращал рост в связи с исчерпанием какого-то фактора, исходно присутствовавшего в тканях стебля. Ввиду того, что вернуть активный рост каллюса удавалось добавлением к питательной смеси, содержащей индолилуксусную кислоту ( ИУК ), дрожжевого экстракта, а так же кокосового молока, Скугом и сотрудниками была предпринята попытка выделить недостающие для роста каллюса вещество из дрожжевого экстракта. При этом выяснилось, что активное вещество обладает свойствами пурина.
Вместе с тем проверка природных пуриновых оснований так же как гидрометода РНК и ДНК показала, что они не способны обеспечить рост стеблевого каллюса табака. Неожиданно активным оказался эфирный экстракт из старого, давно хранившегося препарата ДНК. Впоследствии выяснилось, что активное вещество образуется в любом препарате ДНК при ее деградации путем автоклавирования в кислой среде. Это вещество было выделено в виде кристаллов и идентифицировано химически. Оно оказалось 6- фурфуриламинопурином.
6-фурфуриламинопурин
 |
Указанное соединение образуется при автоклавировании ДНК в кислой среде из дезоксиаденозина. Поскольку 6-фурфуриламино-пурин в присутствии ИУК обеспечивал клеточное деление в изолированной сердцевине ткани стебля табака, он был назван кинетином ( от слова “кинез” ).
Принцип химического синтеза производных пурина с замещением в аминогруппе у шестого атома углерода пуринового кольца был известен ранее, поэтому вслед за химической идентификацией кинетина последовал его синтез. Затем было синтезировано много других активных соединений, которые отличались от кинетина характером заместителя в аминогруппе при шестом атоме углерода. Все эти соединения, включая кинетин, были объединены под общим названием кинины. Это название было распространено в литературе до 1965 г. Однако ввиду того, что в физиологии животных термин “кинины” еще ранее был применен для совершенно иных соединений - биологически активных
полипептидов, Скуг, Стронг и Миллер предложили заменить название кинины на цитокинины. В настоящее время термин цитокинины стал общепризнанным.
2.3 Физиологическая роль цитокининов
а) Стимуляция деления клеток
Цитокинины были открыты как вещества, необходимые для деления клеток у стеблевого каллюса табака и изолированной сердцевинной ткани стебля табака (Мi11еr, 1956; Skoog, Мil1еr, 1957). Эти ткани не способны к синтезу цитокининов, а также ауксинов, что позволило выявить многие существенные стороны действия данных фитогормонов на ростовые процессы. Так, в работах Скуга с сотрудниками было показано, что у изолированной сердцевинной ткани стебля табака в стерильной культуре одна ИУК несколько усиливала синтез ДНК, вызывала в отдельных клетках митозы, но не индуцировала клеточных делений. Точно так же один кинетин не вызывал деления клеток. В его присутствии не происходили митозы, а синтез ДНК он стимулировал в меньшей степени, чем ИУК. Только совместное действие ауксинов и кинетина значительно активировало синтез ДНК, вызывало митозы и индуцировало деление, клеток в изолированной сердцевине стебля табака (Dаs еt а1., 1956, 1958).
В последующем были предприняты попытки разграничить во времени действие ИУК и кинетина в индукции клеточных делений у этой ткани (Nitsch, 1968; Дмитриева, 1972). Полученные данные не имеют пока однозначной интерпретации, но позволяют предполагать, что начальные стадии процесса индуцируются одним ауксином, тогда как в последующем необходимы оба гормона ( Дмитриева, 1972 ).
Таким образом, было установлено, что регуляция деления клеток в изолированной сердцевинной ткани стебля табака осуществляется не одним гормоном - гипотетическим индуктором клеточных делений, а одновременным действием двух гормонов - цитокинина и ауксина. При этом для каждого фитогормона был показан свой предел концентраций, в которых он при наличии в среде другого гормона стимулирует данный процесс. Например, кинетин в присутствии в питательной среде 2 мг/л ИУК стимулировал деление клеток сердцевинной ткани стебля табака, начиная с концентрации 0,005 мг/л, но максимальное его действие достигалось в пределах концентраций от 0,02 до 0,5 мг/л. Увеличение концентрации кинетина до 2 мг/л приводило к угнетению процесса. Стимулирующее действие ИУК при одном и том же содержании в среде кинетина нарастало с увеличением ее концентрации до 1,8 мг/л. Максимальную интенсивность деления клеток вызывало сочетание оптимальных концентраций в среде обоих фитогормонов ( Scoog , Miller, 1957 ) .
Вместе с тем в литературе появилось сообщение о том, что если заменить ИУК на 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту (2,4-Д) и взять последнюю в очень высокой концентрации, можно получить слабо идущее деление клеток сердцевинного каллюса табака и в отсутствие кинетина ( Witham, 1968). По поводу этих данных возникают два предположения: либо только ауксины критичны для деления клеток каллюса, либо высокие концентрации 2,4-Д индуцируют синтез в каллюсе эндогенных цитокининов. Дальнейшие исследования должны показать, какое из этих предположений справедливо.
В связи с этим важно упомянуть, что у отдельных штаммов каллюса сердцевины табака обнаружена способность к синтезу цитокининов. Эти штаммы возникали спонтанно при длительной культуре каллюса (Fох 1963). Одни из них были способны к синтезу только цитокининов, а другие – и цитокининов и ауксинов. Для интенсивного роста таких штаммов не требовалось добавления в питательную среду соответствующих фитогормонов ( Fox, 1961 ). Они сами могли служить источником фитогормонов для обычных дефектных штаммов. Аналогичное явление наблюдалось и для каллюсов семядолей сои, которые обычно также не способны к синтезу ауксинов и цитокининов и нуждаются для роста в их предоставлении извне (Miller, 1963). В месте с тем были обнаружены штаммы этой ткани, не зависящие в своем росте от присутствия в среде цитокининов, и было показано, что это происходит потому, что они приобретают способность к синтезу собственных цитокининов ( Miura, Miller, 1969 ).
Достаточное эндогенное содержание цитокининов, нехватка ауксинов или других необходимых веществ могут стать причиной отсутствия стимулирующего действия цитокининов на деление клеток. Кроме того, в случае высокого эндогенного содержания цитокининов их предоставление извне может привести и к угнетению клеточных делений. Возможно именно с таких позиций следует рассматривать работы, в которых показано отсутствие стимуляции или даже торможение деления клеток цитокининами ( Humphries, Wheeler, 1960; Mc Manus, 1960; Vant Hof, 1968). Кроме того нужно еще иметь в виду, что некоторые растительные объекты могут быть не компетентны для реакции на цитокинин активацией клеточных делений.
Вместе с тем стимуляция с помощью цитокининов митозов и деления клеток продемонстрирована на очень большом числе разнообразных объектов, включая изолированные ткани (Мi11ег, 1961а; Syono, 1965; Neumann еt а1., 1969; Fosket, Тоrrеу, 1969), кончики корня ( Guttman, 1956; Olszewska, 1959а, b), растущие листья (Саtarino, 1965), точки роста стебля (Саtarino, 1965), зародыши прорастающих семян ( Haber, Luippold 1960а, b), водоросли (Мoewus, 1959), мхи ( Szweykowska еt а1., 1968) и другие объекты ( Guttman, 1957; Olszewska, 1959b; Walker, Dietrich, 1961; Мi11еr, 1961а).
б) Влияние цитокининов на рост клеток
Уже в первых работах по цитокининам на стеблевых каллюсах табака в лаборатории Скуга было показано, что цитокинины влияют не только на деление клеток, но и на их рост растяжением. Скуг пришел к выводу о том, что для роста клеток так же, как и для их деления, нужны и цитокинины, и ауксины, причем концентрации этих веществ и соотношение между ними, стимулирующее рост клеток, отличается от тех, которые стимулируют клеточное деление ( Scoog, Мil1еr, 1957).
Наиболее эффективно цитокинины стимулируют рост клеток в отрезках растущих листьев. Это было показано на листьях самых. различных двудольных травянистых растений ( Scott, Liverman, 1956; Мi11еr, 1956; Powell, Griffith , 1960, 1963; Кuraishi, Okumura, 1956; Кuraishi, 1959; Сatarino, 1965), а также на семядолях (Ваnerji, Laloraya, 1965, 1966; Курсанов и др., 1969).
На отрезках листьев однодольных растений стимуляция роста клеток цитокинином не удается (Кuraishi, 1959). С помощью цитокинииов удается индуцировать рост клеток в листьях, уже давно закончивших рост (Кuraishi, 1959; Моthes, 1960). Помимо листьев, стимуляция роста клеток цитокининами показана и у многих других объектов ( Schrank, 1958; Саtarino, 1965;. Аrora еt а1., 1959; Wardlaw, Мitга, 1958; Мi11еr, 1961а).
Однако в литературе отмечены случаи, когда цитокинины угнетали рост клеток. Угнетение чаще всего обнаруживается на отрезках стебля и корнях (Мi11еr, 1961а; dе Rорр, 1956; Deysson, 1959; Butcter, Street, 1960; Вanerji, Lа1оrауа, 1967; Sprent, 1968b; Gaspar еt а1., 1969), причем цитокинины снимают стимулирующее действие на рост стебля ауксинов ( Brian, Hemming, 1957; Vanderhoff, Кеу, 1968) .
Однако не исключено, что различие роста клеток листьев и клеток стебля и корня при воздействии цитокининов определяется различием в диапазоне стимулирующих концентраций. Такое предположение основывается на работах, в которых использование очень низких концентраций цитокининов приводило к стимуляции роста стебля ( Supniewski еt а1., 1957; Sуоnо, Yamaki, 1963b). Этот вопрос подлежит специальному изучению.
в) Действие цитокининов на органогенез
Индукция с помощью цитокининов органогенеза у недифференцированной ткани стеблевого каллюса табака была впервые показана Скугом с сотрудниками, которые с помощью ИУК и кинетина вызывали образование у каллюса корней и побегов и установили, что для закладки каждого из, этих органов требовались свои специфические концентрации обоих фитогормонов. Меняя содержание фитогормонов в питательной среде, можно было направлять органогенез в сторону образования корней или побегов ( Scoog, Мi11еr, 1957).
Так, например, содержание в питательной среде 2 мг/л ИУК и 0,02 мг/л кинетина вызывало у каллюса сердцевинной ткани стебля табака интенсивное деление клеток и дифференциацию корней. Повышение концентрации кинетина до 0,5 – 1 мг/л угнетало корнеобразование, но индуцировало формирование стеблевых почек. Дальнейшее увеличение концентрации кинетина до 2 мг/л оказывало общее ингибирующее действие на рост каллюса и процессы органообразования ( Scoog, Мi11еr, 1957).
Стимуляция с помощью цитокининов процессов органогенеза была затем подтверждена на очень многих объектах ( Gorton et al., 1957; Тоrrеу, 1958; Рrovasoli, 1958; Schrandolf, Reinert, 1959, Мitra, Allsopp , 1959; Бутенко, Яковлева, 1962; Мitra еt а1., 1962; Бутенко, 1964; Неide, 1965; Саtarino, 1965; Бутенко, Володарский, 1967; Вrandes, 1967; Ворр, Dickmann, 1967; Brandes, Кеndе, 1968; Реterson, 1969) .
При этом в ряде случаев цитокинины, стимулируя образование побегов, вместе с тем задерживали закладку корней. Однако Хайде на листьях бегонии показал, что закладка и корней, и стеблевых почек нуждается у этого объекта в цитокининах и ауксинах, и для каждого из этих процессов существуют оптимальные концентрации обоих фитогормонов, при которых они усиливают действие друг друга (Неidе, 1965а, b). Так как концентрации цитокининов, стимулирующие закладку корней, крайне низки ( Scoog, Мil1еr, 1957; Allsopp, Szweykowska, 1960), в большинстве объектов хватает, по-видимому, собственных цитокининов для осуществления этого процесса. Возможно, именно этим объясняется тот факт, что данные извне цитокинины ингибируют корнеобразование ( Rорр, 1956; Sorokin еt а1., 1962; Nieuwhof, 1967). Вместе с тем у каллюса Рорulus tremuloides L. корнеобразование происходило только при полном удалении из питательной среды кинетина и при наличии в среде 2,4-Д. Кроме того, образование побегов требовало у этого объекта удаления из среды ауксинов и происходило под действием одного цитокинина ( Wolter, 1968). Эти данные противоречат результатам Скуга о необходимости обоих фитогормонов для дифференциации, как корней, так и побегов. Однако это противоречие могло бы быть разрешено с позиции большего эндогенного содержания обоих фитогормонов в каллюсе Рорulus tremuloides L., по сравнению с их содержанием в каллюсе сердцевины стебля табака. Этот вопрос требует дальнейшего изучения.
Существенно отметить, что с помощью цитокининов удается также влиять на закладку и дифференциацию генеративных органов, вызывая зацветание растений в условиях неблагоприятного температурного или фотопериодического режима (Чайлахян и др.,1961; " Negi, Olmo, 1966; Маheshwari еt а1., 1966; Gupta, Маheshwari, 1969) . С помощью цитокинина можно также повлиять на пол цветков ( Negi, Оlmo, 1966) .
Цитокинины индуцируют органообразовательные процессы также у мхов (Skinner, Shive, 1955). Под действием цитокининов у протонемы мха, представляющей собою нитевидное образование, индуцируется закладка стеблевых почек ( Szweykowska, 1962, 1963, 1966; Szweykowska et al., 1968а, b, 1969, 1970; Szweykowska, Mackowiak, 1962; Szweykowska, Handszu, 1965; Szweykowska,Schneider,1967; Brandes, Kende,1968).
На основе индукцииобразования стеблевых почек у протонемы мхов разработан высокочувствительный биотест на цитокинины ( Hahn, Bорр, 1968). Известно также влияние цитокининов на процессы дифференциации у папоротников ( Gaudet, Нuang, 1967) .