Полный текст в формате PDF

Advanced Studies in Science: Theory and Practice
UDC/УДК 58.04
DOI: 10.17809/03(2015)-50
NEW ASPECTS OF REGULATION OF PLANT GROWTH IN
VITRO
Anikina, I. N., Adamjanova, J. A.
Pavlodar State University, Pavlodar, Kazakhstan
НОВЫЕ АСПЕКТЫ РЕГУЛЯЦИИ РОСТА РАСТЕНИЙ IN
VITRO
Аникина И. Н., Адамжанова Ж. А.
Павлодарский государственный университет, г. Павлодар, Казахстан
The authors consider the impact of biogenic
growth regulators on the growth and development of plants in vitro. Studies on the effect of
hormones on plant morphogenesis in vitro,
transport processes and the specifics of hormonal
response in plant tissues have been summarized.
Ways to increase the effectiveness of plant
growth regulation in vitro have also been identified. In particular, the authors discuss the use of
natural-synthetic polymers based on humic acids,
which are growth regulators with higher level
according to a number of quality characteristics;
they are also more promising in regard to the application in comparison to their natural counterparts.
В статье рассматриваются вопросы влияния
биогенных регуляторов роста на рост и развитие растений in vitro. Обобщены исследования
о влиянии гормонов на морфогенез растений
in vitro, транспортные процессы и специфику
гормонального ответа в растительных тканях.
Определены направления повышения эффективности регуляции роста растений in vitro. В
частности, рассмотрено использование природно - синтетических полимеров на основе
гуминовых кислот, которые являются регуляторами роста более высокого уровня по ряду
качественных характеристик и более перспективны в прикладном отношении по сравнению с природными аналогами.
Keywords: organogenesis; differentiation; hormones; polymers.
Ключевые слова: органогенез; дифференциация; гормоны; полимеры.
Начиная с первых шагов использования метода культуры тканей, исследователи во всех
странах мира придавали большое значение совершенствованию состава питательной среды, который является основным фактором управления органогенезом растений in vitro [1, 2, 3, 4].
Традиционно в составе культуральных сред в качестве регуляторов роста in vitro, применяются вещества, принадлежащие к группам гормонов: ауксины, цитокинины, гиббереллины, а также
этилен. Как известно, цитокинины инициируют клеточное деление, тогда как ауксины поддерживают
рост клеток растяжением [5, 6, 7, 8, 9]. Процессы дифференциации и дедифференциации тканей,
289
Advanced Studies in Science: Theory and Practice
формирования органов у растений связаны с синтезом, наличием, распределением и соотношением
эндогенных фитогормонов [1,3]. В процессах индукции ризогенеза, согласно мнению ряда исследователей, главная роль отводится ауксинам. Ф. Скуг (F. Skoog) и Т. Мурашик (T. Murashige) высказали
мнение, что не имеет особого значения, в какую по минеральному составу среду вводится регулятор
роста. Тип морфогенеза определяется различием в балансе экзогенных гормонов цитокининового и
ауксинового ряда [10]. Однако на практике использование такого баланса затруднено из-за неясности отдельных моментов механизма действия этого процесса. Достоверно установлено, что эффективность действия ауксина при укоренении в значительной мере зависит от доз цитокининов, используемых в питательных средах на этапе микроразмножения растений-регенерантов [1, 2, 3].
Группой авторов (Т.М. Черевченко, А.Н. Лаврентьев, Р.В. Иванников) доказано, что специфика гормонального ответа в растительных тканях определяется преимущественно типом клеток, на которые
влияет фитогормон. Воздействуя одним и тем же фитогормоном на разные ткани растения, можно
получать различные реакции[11].
Согласно выводам Р.Г. Бутенко, систему процессов роста и развития растений можно рассматривать как результат поляризации гормонов. В надземной части локализуются ИУК, этилен, абсцизовая кислота (АБК), гумат калия. Ауксин (ИУК) играет роль главного гормона доминирующего центра побега, в качестве которого выступает его верхушка. Последняя и служит другим доминирующим
центром, образующим цитокинин. Взаимодействие этих двух центров лежит в основе координации
функциональной активности и морфогенеза растения в целом [3]. Учеными были рассмотрены вопросы влияния гормонов на транспортные процессы в растении и установлено, что такие ростовые
вещества, как ауксины, цитокинины, гиббереллины и АБК, имеют мембранный механизм действия.
Получены интересные данные о медиаторной роли этилена в апикальном доминировании,
а также об участии цитокининов и гиббереллинов в его гормональной регуляции[3]. О.А. Шаповал
делает вывод о том, что в регуляции состояния покоя и прорастания пазушных почек принимают участие все классы фитогормонов [2]. Однако основным при этом является изучение причинных связей
между содержанием ауксинов в апексе и уровнем ингибиторов в пазушных почках.
Гормональная теория регулирования дифференциации и морфогенеза in vitro, по мнению
ряда исследователей, оказывается несостоятельной по целому ряду причин. Во-первых, фитогормоны в этом процессе не обладают специфичностью: одни и те же регуляторы (ауксин, цитокинин, в
меньшей степени гиббереллины и этилен) являются веществами, которые регулируют и деление
клеток при недифференцированном росте каллуса, и деление, связанное с дифференциацией вплоть
до формирования органа. Во-вторых, есть системы, не реагирующие на гормональную обработку.
Клетки таких тканей не способны дедифференцироваться, пролиферировать в условиях in vitro или,
пролиферируя in vitro, не могут достичь такого состояния, которое позволило бы им проявить тотипотентность. Наконец, известно, что у клеток in vitro способность к тотипотентности обусловлена целым рядом факторов. Иными словами, эффект экзогенного фитогормона зависит от самих клеток, то
есть в первую очередь морфогенетическая способность штамма или клона определяется генотипом
(Дмитриева, 1981; Мельничук и др., 2003; Кунах, 2005) [11].
В настоящее время значительно увеличилось количество регуляторов роста растений как
синтетических, так и природного происхождения, в том числе вырабатываемых в растения [12,13].
Однако существуют ограничения и сложности в их широком приминении, связанные с особенностями их свойств и проявлений биологической активности. Так, большинство регуляторов роста растений проявляют стимулирующую активность в достаточно узком диапазоне концентраций, превышение которых приводит к ингибированию и даже гибели растений. Многие биологически активные
вещества плохо растворимы, что затрудняет их применение в малых дозах. Кроме того, в природных
условиях они подвергаются вымыванию, улетучиванию и биологическому разрушению. Для устранения подобных недостатков, по мнению М.И. Штильмана, Р.Ф. Мухамедовой, Г.И. Бойко, Б.А. Жубанова, целесообразно использовать системы с так называемым контролируемым выделением активного вещества [12,13].
290
Advanced Studies in Science: Theory and Practice
Использование данных систем позволяет реализовать оптимально дозированное поступление активного вещества в биологический объект, причем скорость дозирования может регулироваться изменением химического строения системы [13, 14]. К системам с контролируемым выделением активного вещества относятся полимерные производные, полученные химической иммобилизацией регуляторов роста растений на полимер – носитель [14]. В качестве такого носителя часто используются сополимеры малеинового ангидрида, которые, благодаря своей функциональности и
высокой реакционной способности ангидридных групп, легко вступают в различные химические реакции. Они представляют собой удобные объекты для химической модификации с целью придания
им новых специфических свойств и получения материалов, пригодных для использования в различных областях промышленности, медицине, сельском хозяйстве [13,14].
В последние годы появились работы по получению природно-синтетических полимеров на
основе гуминовых кислот, при этом использованы полимеризационные и поликонденсационные
методы их получения. Показано, что такие полимерные продукты являются по ряду качественных
характеристик соединениями более высокого уровня и перспективны в прикладном отношении.
Синтез нового полимерного соединения на основе гуминовых кислот провели Р.Ф. Мухамедова, Г.И.
Бойко, Б.А. Жубанов. При этом они исходили из того, что модификация гуминовых кислот повышает
их реакционную способность, растворимость, термо- и хемостойкость, сорбционные свойства. В качестве полимера-носителя вышеназванные авторы предложили использовать регулярно чередующиеся сополимеры малеинового ангидрида со стиролом (стиромаль). Важным, по их мнению, является то, что сополимеры малеинового ангидрида хорошо растворяются во многих органических растворителях. В качестве полифункционального гидрофильного соединения были выбраны гуминовые
кислоты, служащие основой для получения так необходимой в Республике Казахстан продукции:
доступных и эффективных биодобавок для роста растений, структуро-образователей почв для предотвращения их эррозии, повышения устойчивости растений к заболеваниям и различным стрессовым ситуациям [13, 14].
В найденных оптимальных условиях были получены два типа препаратов – водорастворимая полимерная форма гуминовой кислоты ГРСМ-1 и водонабухающая форма гуминовой кислоты
ГГСМ-1 с последующим изучением их биологической активности на семенном картофеле. Установлено, что в ходе синтеза привитой сополимер с максимальной степенью иммобилизации может
быть получен при эквимольном соотношении реагентов, 15- 20%ной концентрации реакционной
смеси и температуре синтеза 1000 С. Максимально возможная степень модификации стиромаля составляет 61%.
Выявлено, что новые соединения проявляют высокую биологическую активность, способствуют значительному укоренению растения, более раннему пробуждению почек картофеля, что положительно влияет на повышение урожайности сельскохозяйственных культур.
В последние годы внимание биотехнологов привлекают и регуляторы роста растений нового поколения - брассинолиды, а, в частности, препарат Эпин - действующее вещество, аналог природного фитогормона эпибрассинолида. Механизм его действия заключается в регулировании синтеза самим растением других фитогормонов – ауксинов, гиббереллинов, цитокининов, абсцизовой
кислоты и этилена. Причем, это регулирование зависит от фазы развития растений и условий его выращивания. Препарат стимулирует выработку самим растением тех гормонов, которые ему необходимы на каждом этапе развития. По мнению В.А. Хрипач., В.Н. Жабинского, Ф.А. Лахвич, Л.Д. Прусаковой, С.И. Чижовой и др., эпин увеличивает содержание антиоксидантных ферментов у растения, а
также принимает участие в синтезе шоковых белков, повышая его устойчивость к неблагоприятным
факторам внешней среды (заморозки, избыточное увлажнение, засоление и др.) и к заболеваниям.
Препарат регулирует все защитные функции клетки. Снижает стресс пересадки, стимулирует устойчивость к фитофторозу и другим заболеваниям, повышает устойчивость к засухе, холоду, ожогам и
воздействию других неблагоприятных внешних факторов [15,16]. Согласно результатам исследований Л.Д. Прусаковой, С.И. Чижовой, М.А. Гомес (Gomes), В.А. Хрипач, В.Н. Жабинского, А.Е. de Groot
291
Advanced Studies in Science: Theory and Practice
[16, 17, 18], влияние их на общий гормональный фон растительного организма представляет особый
интерес. Данной группой исследователей выявлено, что:
1) брассинолиды повышают отношение ЦК+ИУК/АБК и ЦК/АБК в вегетативных органах растений. Изменение соотношения связано как с увеличением ростостимулирующих гормонов (ИУК у
фасоли, зеатина у томатов), так и уменьшение АБК;
2) в процессе развития цветков и плодов происходит заметное изменение гормонального
статуса генеративных органов растений. Так, по мере раскрытия цветка содержание цитокининов
постепенно падает. К моменту образования завязей – резко повышается. По мере роста плодов содержание цитокининов снова снижается. По мере роста и созревания плодов содержание АБК заметно растет;
3) обработка брассинолидами изменяет гормональный статус генеративных органов. Обогащение брассинолидами на всем протяжении приводит к повышению отношения ЦК+РГУК/АБК за
счет резкого увеличения содержания зеатина и снижения содержания АБК. В период созревания
плодов под влиянием эпибрассинолида содержание АБК увеличивается. Содержание ауксинов в целом остается на уровне контроля;
4) листья, обработанные брассинолидами, характеризуются повышенным содержанием
хлорофилла;
5) под действием брассинолидов наблюдается увеличение интенсивности дыхания, что
влияет на прорастание семян и на развитие листьев цветков.
6) обработка брассинолидами увеличивает темпы роста как вегетативных, так и генеративных органов, а в результате возрастает продуктивность растений.
Применение брассинолидов в качестве компонента питательной среды культур in vitro достоверно повышает эффективность микроклонального размножения картофеля. Это установлено результатами наших опытов и совпадает с данными многих ученых [сравни: 12, 15, 18, 19].
Использование препарата Эпин дозой 0,000125г/л в составе питательной среды, согласно
нашим исследованиям, вызывает увеличение количества междоузлий на 18%. Эти данные свидетельствуют о существенном стимулирующем воздействии препарата Эпин на образование листьев
на культуральных растениях. Использование препарата Эпин позволяет повысить эффективность получения исходного материала для рассадной культуры картофеля. Предпосадочный пробирочный
материал получается более выровненным, отсутствуют низкорослые растения и растения с аномалиями роста. Микрорастения имеют более мощные стебли, что положительно сказывается на приживаемости микрорастений в условиях in vitro. Приживаемость возросла на 10,6 % по сравнению с
контролем. При этом окрас листовых пластинок имеет более насыщенный зеленый цвет, что свидетельствует о повышенном содержании хлорофилла.
В настоящее время, по мере открытия новых регуляторов роста растений, ведутся исследования по использованию их в культуре in vitro. Наибольший интерес вызывают препараты, являющиеся индукторами синтеза эндогенных растительных гормонов. Так, внимание ученых привлек новый регулятор роста растений Фумар (диметиловый эфир аминофумаровой кислоты), который известен как стимулятор биохимических процессов в растениях и индуктор синтеза эндогенных растительных гормонов. Его применение на картофеле стимулирует пробуждение и развитие глазков, способствует формированию мощной корневой системы, синхронизирует столонообразование и развитие клубней [20]. В своих исследованиях Д.В. Кравченко, например, выявил стимулирующее действие препарата Фумар в культуре картофеля in vitro и целесообразность использования его в качестве
компонента питательной среды. По мнению этого исследователя, добавление в питательную среду
МС на последнем этапе микроразмножения in vitro регуляторов роста растений эпина (0,25 мг/л) и
фумара (0,1 мг/л) индуцирует ускорение ростовых процессов, увеличивает количество междоузлий у
микро-растений в зависимости от сорта на 10.1-25,6% [19]. Кроме того, 3 года исследований, у растений картофеля, выращиваемых с применением на последнем этапе микроразмножения в питательной среде эпина и фумара, Д.В. Кравченко не отмечал каких-либо морфологических изменений по
292
Advanced Studies in Science: Theory and Practice
форме и размеру листовых пластинок, их окраске, опушенности, а также по форме, окраске, опушенности стеблей. Таким образом, согласно его исследованиям, препараты Эпин и Фумар в указанных
концентрациях не вызывают у растений картофеля мутационных и модификационных изменений,
что является обязательным фактором при микроклональном размножении ценных сортов.
Таким образом, поиск более результативного сочетания новых регуляторов роста в составе
питательных сред с такими важными факторами культивирования как температура воздуха, интенсивность освещения, позволяет в значительной степени повысить эффективность методики культивирования растений in vitro и открыть новые возможности управления ростом и развитием культуральных растений.
Список литературы:
1.
Бабаев С.А. Биотехнология и семеноводство картофеля // Биотехнология. Теория и
практика. – 1997. – № 3. – C. 22.
2.
Шаповал О.А. Регуляторы роста растений в практике сельского хозяйства / О.А. Шаповал, В.В. Вакуленко, Л.Д. Прусакова, И.П. Можарова. М., 2009. С. 60.
3.
Бутенко Р.Г. Некоторые физиологические проблемы при культивировании in vitro картофеля // Регуляция роста и развития картофеля. М.: Наука, 1990. С. 88-98.
4.
Klocek J., Banas W., Barns A. Wplyw kwasu jasmonowego na wzrost roslin w kulturach in
vitro // Ecofigologiczne aspekty reakqi roslin na dzialanie czynnikow stresowych. Warszawa: Czl, 1999. PP.
327-332.
5.
Gianfagna T.J. Natural and synthetic growth regulators and their use in horticulture and agronomic crops. In plant hormones and their role in plant growth and development. Holland, 1987. PP. 614634.
6.
Моисеева Н.А. Молекулярные и клеточные механизмы морфогенеза в культуре клеток
растений. // Биология культивирования клеток и биотехнология растений. 1991. N 6. С. 166-185.
7.
Kefi, S. Invertase activity by cytokininlike compounds during potato tuberization in vitro //
Am. J. Potato res. – 2000. – N 4. – P. 77.
8. Okazawa Y., Chapman H.W. Regulation of tuber formation in the potato plants // Physiol.
Plant. 1962. Vol. 15. P. 413-419.
9. Moeini, M. J., Effects of Different Plant Growth Regulators and Potting Mixes on Micropropagation and Mini-tuberization of Potato Plantlets //Advances in Environmental Biology. – 2011 – Vol.
5(4). – PP. 631-638.
10. Murashige Т., Scoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue
culture // Physiol. Plant. –1962. –Vol. l5. – № 13. – PP. 473-497.
11. Черевченко Т.М., Лаврентьева А.Н., Иванников Р.В. Биотехнология тропических и субтропических растений in vitro. Киев: Наукова думка, 2008. – 560 с.
12. Бобрик, А.О. Эффективность применения биологически активных веществ в первичном
семеноводстве картофеля // Вопросы картофелеводства…/ ВНИИКХ. М., 2001. С. 289-292.
13. Жубанов, Б. А. Ф. Мухамедова, Г. И. Бойко Модификация некоторых моно-и биспиперидолов, обладающих рострегулирующими свойствами / Журнал прикладной химии. – 2008. – № 3. – С.
521-524.
14. Штильман М.И. Полимеры медико-биологического назначения. М.: Академкнига, 2006.
- 400с.
15. Хрипач В.А., Жабинский В.Н., Лахвич Ф.А. Перспективы практического применения брассиностероидов.// Сельскохозяйственная биология. – 1995. – № 1. – С. 3-11.
293
Advanced Studies in Science: Theory and Practice
16. Прусакова Л.Д., Чижова С.И. Биологическая активность эпи- и гомобрассинолидов и их
влияние на продуктивность пшеницы и ячменя// Тезисы докл. 2-го совещ. по брассиностероидам.
Минск, 1991. С. 37–38
17. Gomes M.A. Physiological effects related to brassinosteroid application in plants /
Brassinosteroids: A Class of Plant Hormone. 2011. S. Hayat, A. Ahmad. Eds. Springer Science+Business Media B.V. P. 193–242.
18. Глушкова Т.Н. Изучение нетрадиционных регуляторов роста в культуре ткани картофеля. Автореф. дис. канд..биол.наук. М.: Изд-во МСХА им.Тимирязева, 2003. – 164 с.
19. Кравченко, Д.В. В оригинальном семеноводстве картофеля можно управлять с помощью регуляторов роста / Д.В. Кравченко // Картофель и овощи. – 2007. – № 3. – С. 27-28.
20. Просяник А. В., Хохлова Т. В., Зеленская О. В. Регуляторы роста растений типа фумара. //
Регуляторы роста и развития растений. Третья Международная конференция. М., 1995. С. 92–93.
294