|
|
Основи біотехнології. Регулятори росту І розвитку рослин план лекції
РЕГУЛЯТОРИ РОСТУ І РОЗВИТКУ РОСЛИН
ПЛАН ЛЕКЦІЇ
Фітогормони та регулятори росту.
Ауксини.
Цитокініни.
4. Гібереліни.
5. Абсцизини.
6. Етилен
7. Брасиностероїди
Регулятори росту і розвитку рослин – природні або синтетичні органічні сполуки, які активно регулюють фізіологічні та морфогенетичні програми росту і розвитку рослинного організму. Регулятори росту, які продукуються самою рослиною, називають фітогормонами.
За типом дії регулятори росту поділяють на стимулятори та інгібітори. Проте такий поділ умовний, оскільки більшість із них в низьких концентраціях стимулює, а в високих пригнічує ті чи інші процеси.
Фітогормони переміщаються по рослині і впливають на ріст і диференціацію тих тканин і органів, куди потрапляють. Таким чином, фітогормони – сполуки, за допомогою яких здійснюється взаємодія клітин, тканин і органів рослин. Вони синтезуються і функціонують в мікро кількостях і на відміну від інших метаболітів, у тому числі вітамінів, здатні викликати рослинні формоутворюючі ефекти (ріст коренів, пагонів, утворення квітів, плодів).
У рослини розрізняють такі основні типи фітогормонів: ауксини, цитокініни, гібереліни, абсцизова кислота, етилен, брисиностероїди. Спеціалісти ведуть активний пошук нових ендогенних фізіологічних активних речовин, які з часом можуть набути статус фітогормонів. Тільки за останні роки до фітогормонів були віднесені жасминова кислота, олігосахариди, фузікокцин.
Кожна хімічна категорія фітогормонів характерно впливає на ріст і спеціалізацію клітин рослин, що використовуються іn vitro. Проте необхідно пам'ятати, що і генотип рослини не змінюється під дією будь-якого регулятору росту. Вони лише допомагають рослинам розкрити і реалізувати їх генетичний потенціал без появи нових спадкових властивостей, крім того регулятори росту не замінюють елементів живлення.
у практиці рослинництва широко використовують синтетичні регулятори росту такі як емістим, метиур, дипромол, фарбізол, івин. В основному їх використовують для підвищення енергії проростання і польової схожості насіння, запобігання виляганню хлібів, регуляції плодоношення, підвищення врожайності, приживання саджанців.
Вчені розробляють нетоксичні синтетичні аналоги гормонів шкідників (ОК-37, 84, 85), які одночасно є ефективними засобами захисту рослин.
Розрізняють наступні регулятори росту:
Ауксини.
Цитокініни.
Гібереліни.
Абсцизини.
Етилен.
Брасиностероїди.
Ауксини. Були відкриті в результаті вивчення явища фототропізму, яке було почате ще в дослідах Чарльза Дарвіна і його сина Френсіса. Взявши колеоптилі вівса вони показали, що ріст проростків в бік світла обумовлений тим, що від верхівки стебла передається якийсь вплив на розміщену нижче зону росту. В 1934 році дану речовину було названо ауксином та ідентифіковано як індолілоцтова кислота.
Ауксини – група фітогормонів, які регулюють процеси поділу та розтягнення клітин і сприяють формуванню коренів, провідних пучків. Ауксини синтезуються у верхівці рослин і пересуваються вниз по рослині. Основним ауксином є індолілоцтова кислота. Відомо багато речовин індольної природи з фуксиновою дією, які синтезовані лабораторним шляхом: індолілмасляна, нафтилоцтова кислоти. Існують ауксини неіндольної природи: 2,4Д; 2,4,5-трихлорфеноксиоцтова кислота; 2, 3, 6-трихлорбензойна кислота. Вони у високих концентраціях використовуються як гербіциди.
Ауксини утворюються в молодих частинах рослин, які активно ростуть: в точках росту стебла, верхівках коренів, молодих листках, бруньках, квітках і плодах. Транспортування ІОК по рослинних тканинах відбувається полярно – від верхівки пагона до кореня. В тканинах рослин вона знаходиться в двох формах: вільній і зв'язаній. Біологічна активність притаманна тільки вільним формам ІОК. Нерівномірним поділом уксинів в осьових органах пояснюють ростові рухи, а також тропізми рослин.
Класична дія ауксинів – посилення росту за рахунок стимуляції, розтягнення; клітин, знижує рН позаклітинного середовища і тим самим посилює пластичність
клітинних стінок. ІОК зумовлює явище апікального домінування, коли апікальна меристема гальмує ріст бокових меристем.
Природу апікального домінування пояснюють декілька гіпотез:
верхівкова меристема найбільш насичена ауксином і є атрегуючим центром притягнення води і розчинених в ній мінеральних, поживних речовин, яких не вистачає для бокових бруньок;
під дією ауксину синтезується інгібітор росту, який проникає у бокові меристеми і гальмує їх розвиток. Синтетичні ауксини широко використовуються для укорінення черенків.
Цитокініни. Вперше були виявлені в 1955р. Скугом в молоці кокосового горіха інгредієнт, який викликав ділення зрілих серцевин клітин тютюну в культурі. Було встановлено, шо активний компонент по хімічній будові схожий з аденіном однією із основ, яка входить до складу ДНК. Цей компонент назвали кінетином. Пізніше був прийнятий термін цитокінін. Перший природний цитокінін був виділений із молодих зерен кукурудзи(Zea mays) в 1963 р. і отримав назву зеатин. Найбільш розповсюдженими цитокінінами є кінетин, зеатин, бензиламінопурин.
Цитокініни поліфункціональні в своїй дії на різних етапах росту і розвитку рослин. Вони стимулюють процеси клітинного ділення і диференціації та затримують процеси старіння відокремлених органів. Цитокініни стимулюють розвиток латеральних точок росту (бокових бруньок), тобто беруть участь у подоланні апікального домінування. Цитокініни утворюються у коренях, переміщуються в листки і підтримують структурно-функціоиальну життєдіяльність листків. Вони продовжують тривалість життя зелених овочів, зрізаної зелені, квітів, що використовується на практиці.
Гібереліни. Найбільш типовим представником є гіберелова кислота. В 20-х роках група японських вчених, яка працювала в Токійському університеті, досліджувала широко розповсюджене в світі захворювання проростків рису, яке викликав гриб Giberella (рід Fusarium). Заражені сіянці витягувались в довжину, обезбарвлювались, гинули або давали поганий врожай. В 1935 було отримано в кристалічному вигляді першу активну речовину. В 1954 році англійські вчені виділили одну із активних речовин, яку назвали гібереловою кислотою. У вищих рослин багатими на гібереліни швидкоростучі органи – молоді апікальні листки, бруньки, незріле насіння, плоди. Рухаються вони по флоемі, ксилемі уверх-вниз, не виявляючи полярності транспорту. Велике значення для утворення гіберелінів у рослини має світло (воно сприяє їх біосинтезу в хлоропластах листків).
Гібереліни – компоненти систем, які регулюють ріст і розвиток рослин. Найбільш виражена дія гіберелінів – це здатність стимулювати ріст, видовження стебла за рахунок розтягнення клітин, а не їх поділу. За допомогою гіберелінів відновлюють нормальний ріст карликових сортів гороху, кукурудзи. Другий
класичний ефект дії гіберелінів пов'язаний з виходом насіння злакових із стану спокою. Насіння поміщають в воду і після того, як воно її поглине, зародок починає синтезувати гібереліни, які стимулюють утворення гідролітичних ферментів. Ферменти розщеплюють запасний крохмаль ендосперму до простих цукрів, які використовуються для росту зародка. Важливе значення гіберелінів у процесі яровизації та цвітіння. У ході яровизації підвищується рівень гіберелінів, що дозволяє холодову обробку замінити обробкою неярозованих рослин гіберелінами. Екзогенно введений гіберелін у багатьох дворічних рослин виключає потребу в яровизації і викликає їх цвітіння. Гібереліни викликають партенокарпію – процес, при якому плоди розвиваються без запліднення. Для цього квітки рослин обробляють розчином гібереліну, що практично використовується у виноградарстві (отримують без насіннєві ягоди великого розміру). Для оптимальної регуляції росту необхідні не тільки стимулятори, але і інгібітори росту.
Абсцизини. Вперше були виділені в 1964 році із листків платана. Початкова назва активної речовини була дормін. Дорін викликав опадання коробочок (назва яких на латині abscisio) і тому був названий абсцизином. В 1967 році було вирішено назвати абсцизовою кислотою (АБК). З хімічної точки зору АБК відноситься до терпеноїдів. Більшість органів вищих рослин здатні синтезувати АБК, транспорт речовини відбувається по провідній системі (флоемі і ксилемі). Вміст АБК визначають за допомогою біотестів та фізичними методами. Дія АБК пов'язана із спокоєм бруньок і насіння, опаданням квіток, плодів, старінням і дозріванням. Додавання до поживного середовища 7,6 мкМ АБК впливало на ріст і формування ембріогенних клітинних агрегатів у суспензійних культур клітин ярої пшениці. АБК бере участь у зміненні балансу фітогормонів І сприяє «дозріванню» соматичних ембріоїдів, попереджує утворення кореневих структур.
Етилен – це газ, який добре розчиняється у воді, має характерний запах. В 30-х роках стало відомо, що газ етилен прискорює дозрівання плодів цитрусових і впливає на ріст рослин. В 1934 р. виявилось, що жовтіючі яблука виділяють етилен, а пізніше було доведено, шо цей газ виділяють різні достиглі плоди та інші органи рослин, особливо пошкоджені. У найбільших кількостях він утворюється у дозріваючих, старіючих тканинах, або у відповідь на поранення та інші стресові фактори. Добра розчинність етилену у воді дозволяє йому транспортуватись у водному розчині по рослині. Етилен, як газ відрізняється від інших фітогормонів своєю летючістю, з цієї причини етилен однієї рослини може впливати на перебіг процесів в іншій рослині, яка знаходиться поряд. Класичний ефект дії етилену спостерігається у плодоовочевих сховищах, або при тривалих морських транспортуваннях – перезрілі плоди посилюють дозрівання сусідніх менш стиглих плодів.
Важливим ефектом фізіологічної дії етилену вважається також стимуляція опадання листків – він впливає на розростання прошарку відокремлення, який знаходиться біля основи черешка листка.
Брасиностероїди. Мають високу фізіологічну активність. Якщо класичні фітогормони діють у концентраціях 10-8-10-6 моля, то брасиностероїди в дозах 10-8-10-11 моля. Вперше були знайдені і виділені у чистому вигляді з пилку ріпака. Після обробки брасиностероїдами виявлена сильнодіюча стимуляція росту зернобобових, овочевих, плодових культур. Перспективні для використання у сільському господарстві, завдяки тому, що у них невелика токсичність та дуже низькі норми витрат.
Взаємозв'язок дії фітогормонів.
Узагалення сучасних уявлень про фізіологічну дію фітогормонів дозволяє говорити, що цитокініни найбільше пов'язані з діленням клітин; ауксини, гібереліни, брасиностероїди – із збільшенням розмірів клітин і їх диференціюванням; АБК – станом спокою; етилен – дозріванням і старінням. Враховуючи те, що процес росту складається з трьох етапів – ділення клітин, їх розтягнення та диференціювання – необхідно обов'язково підкреслити, що фітогормони викликають той чи інший фізіологічний ефект тільки при спільній взаємодії.
Якщо один або декілька фітогормонів посилюють, доповнюють дію один одного і сумарний ефект дії набагато перевищує результат їх індивідуальних ефектів, то говорять про синергізм дії фітогормонів. Відповідно, результатом антагонізму взаємодії фітогормонів є гальмування процесів.
Для гіберелінів розтягування клітин та видовження органів рослин залежить від присутності ендогенних та екзогенних ауксинів. При дію на рослину різних стресових факторів, при підвищенні концентрації ІОК та кінетину проходить посилене виділення етилену. Цитокініни сприяють поділу клітин тільки в присутності ауксинів. У деяких випадках відмічається участь гіберелінів у цих процесах. Реалізація тотипотентності клітин залежить від балансу регуляторів росту у поживному середовищі.
Калусна тканина тютюну на МS середовищі
Наявність фітогормонів у середовищі
Відсутні всі фітогормони: слабкий ріст калусу.
Ауксини тільки: розтягнення клітин. Але відсутнє їх ділення і диференціація.
Цитокініни тільки: ріст калусу без диференціації клітин.
Високе значення співвідношення ауксин/цитокінін: ріст і диференціація з утворенням коренів.
Високе значення співвідношення цитокінін/ауксин: ріст і диференціація пагонів.
Низьке співвідношення цитокінін/гіберилін: тонкі етильовані рослини з вузькими листками.
Високе співвідношення цитокініни/гібериліни: короткі зелені рослини з округлими листками.
Регуляторна функція фітогормонів розглядається як результат їх складного координованого впливу на хід ростових, генераторних процесів і залежить від балансу стимуляторів та інгібіторів на різних фазах розвитку рослин.
Метод культури ізольованих клітин та тканин
План лекції
Рослинна клітина, як об'єкт для вивчення різних процесів
Історія розвитку методу ізольованих клітин та тканин.
Принципи і теоретичні основи створення поживних середовищ
Фізичні фактори, що впливають на ріст і розвиток ізольованих тканин.
Культура ізольованих тканин
Метод культури клітин , тканин і органів використовується в даний час в усьому світі при вирішуванні багатьох проблем сучасної біології. В основу методу культури тканин покладено пізнання живої клітини і законів, які управляють процесами життєдіяльності. Цінність методу культури тканин полягає в тому, що клітина – це природна модель – одиниця біологічної активності, що наближає умови експерименіу до нативних. З другого боку, ізольована одиниця біологічної активності, будь-то клітина або орган, звільняється із-під впливу кореляційних зв'язків і залежностей материнського організму з певним ступенем автономності. При цьому створюються умови in vitro, які можна регулювати і якими можна управляти, що дозволяє кількісно виразити результати експерименту і встановити деякі загальні, фундаментальні біологічні закономірності.
Рослинна клітина відрізняється рядом унікальних особливостей це проявом здатності гаплоїдних клітин до відновлення цілого організму, переходом до органогенезу та морфогенезу, що дає можливість вирішувати багато проблем загально біологічного значення.
Рослинна клітина – це об'єкт для вияснення первинних процесів росту, диференціації, взаємодії між ядром і цитоплазмою, стану генетичної інформації, її змінення і тимчасової реалізації.
Функціональна гетерогенність клітин характерна для клітинних популяцій в живому рослинному організмі (in vivo) як то статеві, соматичні клітини, значно підсилюється в умовах ізольованих культур. Клітина в умовах культури in vitro проявляє цитогенетичну нестійкість, в результаті чого виникають популяції клітин з генетичною гетерогенністю. Появляються мутанти із зміненим морфогенезом, які можуть бути вихідним матеріалом для селекційрю-генетичних досліджень. Цитогенетична нестійкість, виникнення генетичної гетерогенності клітинної популяції in vitro, здатність до морфологічних змін – залежать від типу тканини, її кількості, маси, ступеню диференціації, густини суспензійної культури, систематичного положення рослин та умов вирощування. При цьому хімічні компоненти поживного середовища і фізичні умови виступають як індуктори різних біосинтетичних процесів, або як мутагенні, екстремальні
фактори, що призводять до змін в нуклеїновому і білковому обміні, цитогенетичній гетерогенності клітинної популяції, а також до зміни структури, форми і функції клітини.
Метод культури тканин полягає у вирощуванні in vitro ізольованої клітини, її окремих структур, різних тканин, частин і органів рослин в стерильних умовах на твердому або рідкому поживному середовищі.
Одним із основних принципів розробки культури тканин є ступінь відтворення invitroумов близьких або ідентичних тим, в яких клітини перебувають на материнській рослині. Чим більш повною мірою в культурі іn vitro відтворюються природні умови для того чи іншого типу клітин, тим більшого успіху досягають при їх вирощуванні. Друга і найважливіша умова успішного вирощування рослинних клітин і тканин іn vitro – це ступінь можливості репресії і дерепресії генетичної інформації та здатність її модифікаційних і мутаційних змін в нових фізико-хімічних умовах культури.
Розробка основ методу культури тканин на рослинних організмах має порівняно коротку історію розвитку – біля 110 років. Перші спроби відносяться до кінця XIX – початку XX століть і пов'язані з іменами трьох видатних німецьких вчених: Фехтинга, Рехінгера, Габерландта (1878 – 1902рр). Причому, саме Габерландт в 1902 році вперше чітко висловив ідею про можливість культивувати in vitro ізольовані клітини рослин, однак ці спроби культивувати на штучному середовищі групи клітин палісадної паренхіми листка та епідермісу, не увінчались успіхами.
Доволі тривалий період, який наступив за роботами цих перших дослідників характеризується багаточисленними науковими пошуками підбору відповідного поживного середовища і створення сприятливих умов для вирощування ізольованих від цілої рослини органів, тканин і клітин.
Історія розвитку методу культури ізольованих тканин рослин була започаткована роботами двох відомих вчених, які присвятили даній проблемі всі сили, талант і довгі роки напруженої прац – Філіпа Уайта в США і Роже Готре у Франції (1932 – 1959 рр.), які по праву вважаються основоположниками методу культури ізольованих рослинних тканин.
Багато тканин, які були вперше введені в культуру іn vitro Готре, існують в пасованій культурі і до теперішнього часу, як певні фізіологічно і біохімічно вирівняні клони, з якими працюють вчені в різних лабораторіях світу. Зусиллями Уайта і Готре та їх багаточисельними учнями і послідовниками були детально розроблені методика культивування рослинних тканин і склад поживних середовищ та підібрані фізичні фактори вирощування культур. Каталог рослин, тканини, яких вирощувались в культурі іn vitro був виданий Готре в 1959 р. і включав 142 рослини, із класу дводольних, трав'янистих і дерев'янистих форм, а також однодольних, голонасінних і спорових рослин. В даний час він може бути доповнений іще більшим числом рослин, тканини яких введені в культуру іn vitro.
В нашій країні систематичні роботи з питань культури тканин рослин були започатковані в 1944р. в Інституті фізіології рослин АН СРСР під керівництвом акад. Н. А. Максимова. Дослідження проводились в області культури ізольованих зародків і культури ізольованих коренів. Метод ізольованих зародків був використаний при створенні гібридних форм рослин пшениці і при виведенні нових сортів персика та черешні в Нікітському ботанічному саду. На Україні дослідження по культурі ізольованих зародків проводились Ф. Л. Калініним і його школою в напрямку впливу на ранні стадії ембріогенезу рослин для надання їм нових якостей (1951 – 1959 рр.).
Подальші дослідження розвитку методу культури ізольованих клітин і тканин пов'язані з іменами:
Р. Г.Бутенко, М. Х.Чайлахяна – культура ізольованих верхівкових бруньок;
А. М.Смірнова, Б. П.Строгонова – культура ізольованих коренів;
Р. Г.Бутенко, А. А.Ничипорович – пасована культура тканин різних рослин і вирощування клітинних суспензій.
В даний час на Україні центром розвитку всіх напрямків культури ізольованих клітин, тканин і органів рослин є Інститут клітинної біології і генетичної інженерії, де наукові пошуки проводяться під керівництвом акад. Ю. Ю. Глеби. Значні обсяги робіт проводяться в інших науково-дослідних установах Національної та Аграрної академій наук.
|
|
|
Скачать 211 Kb.