Физиологическая роль цитокининов

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 . Существенно, что действие цитокинина на процессы дифференциации обнаруживается у одноклеточной водоросли Аcttabularia Zetsche, 1963 . Эта гигантская клетка образует в ходе своего развития подобие корешка, стебля и шляпки.

В зависимости от взятой концентрации кинетин стимулирует или угнетает образование и рост этих частей клетки.

При этом стимулирующие концентрации для стебля и шляпки оказываются различными и меняются в зависимости от возраста клеток.

Стимулируя процессы дифференциации, цитокинины в ряде случаев вызывают де дифференциацию МасNuff, von Maltzahn, 1960 Wardlaw, Mitra, 1958 . Таким образом, цитокинины оказывают большое влияние на процесс дифференциации, характер которого меняется в зависимости от концентрации цитокинина, его соотношения с ауксином и особенностей объекта. г Снятие с помощью цитокининов апикальной доминанты По предположению Тиманна, цитокинины и ауксины участвуют в регуляции распределения ростовых процессов вдоль по стеблю растения.

При этом, если с помощью ауксинов осуществляется подавление роста боковых почек со стороны верхней почки и рост стебля происходит без образования боковых побегов так называемая апикальная доминанта, то цитокинины снимают ингибирующее действие на латеральные почки верхушечной почки или ауксинов и вызывают рост боковых побегов Wickson, Тhimann, 1958, 1960 Lona, Восhi, 1957 von Maltzahn, 1959 Sebanek, 1965 Sachs, Тhimann, 1967 Sprent, 1968b. На этом основании можно с помощью цитокининов заменить главный побег на боковой Engelbrecht, 1967 или вызвать усиленный рост многих боковых побегов у растений, которые без обработки их раствором цитокинина не дают ветвления Lona, Восhi. 1957 . д Прерывание покоя и стимуляция прорастания семян под действием цитокининов. С помощью цитокининов удается прервать покой спящих почек древесных растений в летний и зимний периоды Сhvojka еt а1 1961 Сhvojka еt а1 1962 Вenes еt а1 1965 Leike, 1967 , а также вывести из состояния покоя клубни некоторых растений, например бегонии Esashi, Leopold, 1967 . Цитокинины оказываются эффективным средством в прерывании покоя некоторых семян Worsham е1 а1 1959 Кhan, 1966 . Стимулирующее действие цитокининов на прорастание обнаружено на семенах латука, которые нуждаются для индукции этого процесса в действии красного света Мi11еr, 1956, 1958 Skinner et al 1957 Haber, Luippold, 1960а, b Ikuma, Thimann, 1963 Leff, 1964 . Цитокинины стимулируют их прорастание как в темноте Мi11ег, 1956 , так и при кратковременном воздействии красным светом Мil1еr, 1958 . С помощью цитокининов удается повысить у ряда растений всхожесть семян, ослабленную в результате их длительного хранения Курсанов и др 1966а, б . е Влияние цитокининов на рост целых растений Выше были приведены примеры, когда с помощью цитокининов можно было вызвать рост боковых побегов на растении и их зацветание в неблагоприятных для цветения условиях.

Что же касается общей стимуляции роста растений цитокининами, то ее получить весьма сложно и пока еще не найдены пути эффективного воздействия на рост и урожай растений. В этом отношении было сделано несколько неудачных попыток.

Так, например, опрыскивание растений карликовой пшеницы раствором кинетина не влияло на их рост Уао, Canvin, 1969 , а полив растений томатов, росших в песке, раствором кинетина 10 - 100 мг л резко угнетал их рост Kemp еt а1 1957 . Кинетин, добавленный в питательную среду 0,002 - 2 мг л, тормозил также рост томатов, огурцов и гороха и задерживал их зацветание Witter, Dedolf, 1963 . Неудачей закончились и наши попытки повлиять с помощью кинетина на формирование зерна и содержание в нем азотистых веществ у пшеницы Курсанов и др 1966а, б. По-видимому, во всех этих случаях в растениях хватало эндогенных цитокининов или, по крайней мере, не они являлись лимитирующим фактором.

Однако в литературе известны примеры и стимулирующего действия цитокининов на рост растений. Например, кинетин, добавленный в крайне низких концентрациях к раствору Кнопа, стимулировал рост проростков подсолнечника, фасоли и люпина Supniewski еt а1 1957 , растений ряски в темноте Hillman, 1957 , проростков люпина в темноте и на свету Fries, 1960 , а также проростков редиса на свету Кuraishi, 1959 . Погружение растений табака на 1 час корнями в раствор цитокинина 5 10-4 М вызывало значительное усиление роста листьев на растении и повышало в них содержание калия Dyar, 1968 . Есть указания о возможности повлиять с помощью цитокининов нарост плодов яблони Letham, 1969 и на формирование урожая у растений кукурузы Власюк и др 1969 . Особенно интересные сведения получены в последнее время Турковой и Сабо 1970 , которые показали, что однократное опрыскивание растений подсолнечника раствором кинетина на фоне высокой дозы азотного питания вызывает значительную прибавку общего веса растений и увеличение веса корзинок.

Подобное же опрыскивание ускоряет и зацветание растений подсолнечника Туркова, Фролова, 1970 . Приведенные примеры позволяют заключить, что, хотя случаи, когда эндогенные цитокинины бывают в растениях в минимуме и поэтому проявляется стимулирующее действие экзогенных цитокининов, бывают, по-видимому, редко, все же могут быть найдены условия, при которых можно ожидать, что цитокинины окажутся эффективным средством воздействия на рост и урожай растений. ж Продление с помощью цитокининов жизни срезанных листьев В предыдущих разделах показано участие цитокининов в регуляции роста и органообразования у растений.

Однако, помимо этого цитокинины оказывают влияние на уже закончившие свой рост органы растения. Наиболее стильно их действие сказывается на срезанных листьях травянистых растений.

Цитокинины задерживают их пожелтение и продлевают жизнь срезанных листьев. з Цитокинины как фактор воздействия одних органов растения на другие и их влияние на передвижение веществ в растении Цитокинины, как и другие фитогормоны, являются одним из факторов, с помощью которого одни органы растения влияют на другие.

Они оказывают регуляторное действие на распределение питательных веществ в растении. и Защитное действие цитокининов против неблагоприятных факторов Цитокинины повышают устойчивость клеток к самым различным неблагоприятным воздействиям, таким как, действие повышенной и пониженной температуры, обезвоживание, гребная и вирусная инфекция, механическое воздействие и влияние различных химических агентов.

Так, в опытах Мотеса и Энгельбрехт было показано, что кинетин повышает устойчивость к кратковременному нагреву клеток обработанной им половины срезанного листа табака и способствует последующему репарационному процессу Моthes, 1960 Engelbrecht, Mothes, 1960, 1964 . Это действие цитокининов Мотес ставит в прямую связь с их способностью повышать удерживание клетками подвижных метаболитов и приток к ним питательных веществ из окружающих тканей.

Это свойство клеток удерживать и притягивать подвижные метаболиты Мотес называет аттрагирую щей способностью клеток.

По данным Мотеса и Энгельбрехт, эта способность клеток листа резко снижается в результате нагрева, а цитокинин повышает ее, что может быть одним из путей проявления его защитного действия по отношению к нагреву.

Механизм такого действия цитокининов не изучен.

Не исключено, что он связан с их влиянием на функциональное состояние мембран. Этот вопрос нуждается в специальном исследовании.

В связи со сказанным важно упомянуть, что защитное влияние цитокининов проявляется при действии на растительные объекты самых различных агентов, таких как, например, пенициллин Platt, 1958 , хлорамфеникол Моthes, 1960 Кулаева, Воробьева, 1962 Еngelbrecht, Nogai, 1964 Wollgiehn, Parthier, 1964 , NaF и тетрахлорнитробензол Penot, 1963 , 5-фторурацил Kim Won-Kyum, Greulach, 1961 , 8-азагуанин Мoewus, 1959 Вlaydes, 1966 , токсические концентрации сахарозы Butcher, Street, 1960 , высокий процент обогащения воды D2О Соре еt а1 1965 , механическое воздействие на клетки листа при инфильтрации Bagi, Farkas, 1968 и т. д. Причины защитного действия цитокининов в каждом конкретном случае могут быть различными и, очевидно, требуют специального изучения.

Однако не исключено, что механизм такого действия может оказаться и одинаковым. Например, он может проявляться через действие цитокининов на структурное и функциональное состояние различных макромолекуляриых компонентов клетки и, в частности, на состояние их мембранного аппарата. Электронно-микроскопические исследования показывают, что цитокинины задерживают деградацию различных мембранных структур в клетках листа, включая ламеллы стромы и граны хлоропластов Курсанов и др 1964 Свешникова и др 1966 , мембранные структуры митохондрий Курсанов и др 1964 и эндоплазматический ретикулум Shaw, Маnocha, 1965 . При помощи цитокинина удавалось предотвратить разрушение в срезанных листьях мембранной оболочки сферозом, содержащих гидролитические ферменты, и таким путем защитить от разрушения белки, нуклеиновые кислоты и липоиды .плазмы Ва1z, 1966 . По-видимому, действие цитокининов на мембранный аппарат клетки может иметь существенное значение в осуществлении их регуляторного действия на обмен веществ растений и не исключено, что имеет отношение к защитному действию цитокининов при различных неблагоприятных воздействиях. Иную интерпретацию может иметь защитное действие цитокининов на листья целых растений в условиях повышенной температуры Mothes, 1960 и засухи Моthes, 1961а Shah, Loomis, 1965 . По-видимому, в таких случаях в листьях может возникать дефицит эндогенных цитокининов за счет снижения их поступления из корней, что и создает условия для защитного действия данных извне цитокининов.

Правда, необходимо упомянуть, что такое защитное действие проявляется не всегда. Так, при помощи цитокинина не удалось задержать пожелтение растений пшеницы при недостатке водоснабжения в условиях вегетационного опыта Nunes, 1967 - 1968 . Однако работа в этом направлении может быть перспективной для защиты растений от различных неблагоприятных воздействий. 2.4