Глава 2. Р і с т і р о з в и т о к р ос л и н

Центральним питанням фізіології розвитку рослин є вивчення закономірностей онтогенезу.

Онтогенезом ( індивідуальним розвитком, життєвим циклом) називають життя рослини від початку проростання насінини або бруньки (вегетативних органів розмноження) до природної смерті організму. При статевому розмноженні онтогенез визначають з моменту утворення зиготи до природної смерті рослинного організму.

Онтогенез реалізується в процесах росту і розвитку рослин. Збільшення маси і розмірів рослини не завжди є надійними критеріями росту. Наприклад, на перших етапах проростання насіння, цибулин, кореневищ, бульб (до початку формування фотосинтетичного апарату рослини) відбувається втрата частини органічної речовини на дихання. Збільшення розмірів насіння при його замочуванні не завжди супроводжується ростом. Найбільш надійним критерієм росту є новоутворення елементів структури - нових органоїдів, клітин, тканин, органів рослини.

Ріст – це незворотне збільшення розмірів рослини, зумовлене новоутворенням елементів структури.

Розвиток – сукупність якісних морфологічних, фізіологічних і біохімічних змін рослини на окремих етапах онтогенезу, які зумовлені генотипом і фенотипом.

Треба розуміти певну умовність розділення цих процесів. Формування таких органів рослини, які виконують функції живлення, дихання, водопостачання (листок, стебло, корінь) часто відносять до фази вегетативного росту, а утворення генеративних органів розмноження (суцвіть, квітів, плодів, насіння) – до фази генеративного розвитку рослини. Таке розділення є неточним, оскільки новоутворення всіх елементів структури рослини визначається розгортанням спадкової інформації.

Для багатьох рослин, які існують в районах з суттєвими сезонними коливаннями значень абіотичних факторів середовища (високі і низькі температури, обмеження нормального водозабезпечення), онтогенез включає також період спокою. В цей період процеси органогенезу за несприятливих умов існування різко уповільнюються, або майже припиняються. В залежності від виду рослини і зовнішніх умов тривалість спокою може коливатися від кількох днів до багатьох місяців.

Пізнання закономірностей росту і розвитку дає можливість свідомо ними керувати з метою оптимізації продукційного процесу рослин.

Кінетика росту

Кінетика росту окремої клітини, органу, цілої рослини і популяції описується сигмоїдною (S - подібною ) кривою, яку Юліус Сакс назвав великою кривою росту (1873). Ця крива складається з чотирьох відрізків: а) лаг-фази, яка характеризується незначним ростом, в цю фазу відбуваються внутрішні зміни, які передують росту; б) лог - фази, під час якої залежність логарифму швидкості просту від часу описується прямою, в) фази сповільненого росту і г) фази плато, під час якої ріст припиняється і розміри стабілізуються (рис. 2.1):

Рис. 2. 1. Сигмоїдна крива росту

Під час цих фаз послідовно відбуваються поділ, ріст розтягуванням, диференціація, старіння і смерть рослинної клітини.

Фази росту мають чітку локалізацію в тілі рослини. Лаг-фаза локалізована у верхніх клітинах конусів наростання, інтеркалярних, латеральних і раневих меристемах. Основною характеристикою клітин в цій фазі є безперервний поділ, новоутворення молодих клітин, за рахунок чого постійно збільшується загальна кількість клітин рослини. При цьому кількість клітин, що діляться, не змінюється, оскільки частина клітин цієї зони постійно переходить до росту розтягуванням.

Життєвий цикл клітин у лаг-фазі проходить із здійсненням мітотичного циклу, який складається з двох етапів - інтерфази і мітозу.

Цитологічна характеристика інтерфазної клітини наступна. Клітини дрібні, щільно зімкнені, з густою цитоплазмою, великим ядром. Форма клітин різноманітна – від багатогранної до табличної. Такі клітини мають в своєму складі всі основні органели, властиві рослинній клітині. Однак стан їх розвитку може суттєво відрізнятися від органел клітин диференційованих.

Цитоплазма заповнює всю порожнину клітини, на відміну від цитоплазми клітин диференційованих, де вона займає пристінкове положення. Цитоплазма складається з гіалоплазми, яка становить основну частину цитоплазми, і ендоретикулюму (ендоплазматичної сітки), а також включає ряд органоїдів (апарат Гольджі, вакуолярний апарат, мітохондрії, пластиди, велику кількість рибосом). Ендоплазматичний ретикулюм меристематичних тканин представлений, в основному агранулярним типом, більша частина рибосом знаходиться у вільному стані, а менша частина прикріплена до мембран ЕПР. В цитоплазмі клітин міститься до 30-38% РНК, до 55% білку, близько 4,5% фосфоліпідів.

Вакуолі у меристематичних клітинах відсутні зовсім або дрібні, утворюються із цистерн ЕПР, диктіосом. Склад вакуолей і значення рН їх середовища постійно змінюється, що відображає зміщення реакцій обміну, які відбуваються при розвитку клітини. Наявність системи дрібних вакуолей і відсутність центральної вакуолі є суттєвою рисою відмінності у порівнянні з клітинами диференційованими. Мітохондрій у меристематичних клітинах багато, однак вони недостатньо розвинуті - крист у порівнянні з диференційованими клітинами мало.

Пластиди в клітинах меристеми знаходяться у зародковому стані. На самих перших етапах розвитку вони мають вигляд недиференційованих дрібних пухирців (від 0,1 до 0,5 мк) і називаються пропластидами. Згодом в них починається розвиток ламелярної системи. При цьому в деяких пропластидах внутрішня ламелярна система розвивається слабо, а більша частина зайнята крохмальними зернами – утворюються амілопласти. В молодих пластидах меристеми завжди утворюються дрібні крохмальні зерна. Цей крохмаль вторинного походження: він утворюється з вуглеводів, які надходять з інших тканин. Пропластиди в меристематичних тканинах можуть розвиватися в лейкопласти (безкольорові, безпігментні пластиди). Остаточна диференціація ламелярної системи відбувається за межами меристематичної тканини, формується хлоропласт.

Ядро меристематичної клітини має округлий контур, велике, займає 50% об’єму клітини, містить достатньо велике ядерце або кілька ядерець. Ядра клітин займають центральне положення ( в процесі диференціації воно з часом відтісняється до периферії клітини центральною вакуолею, може стати видовженим, або овальним). Каріоплазма ядра має дрібногранулярну структуру і відрізняється за густиною від гіалоплазми. Ядерця являють собою сферичні тільця, що знаходяться у контакті з хромосомою, яка продукує речовину ядерець (ядерцевий організатор).

Клітинна стінка представлена первинною клітинною оболонкою, пронизаною значною кількістю плазмодесм, які зв’язують дочірні клітини. Для таких оболонок характерним є знижений вміст целюлози, мікрофібрили якої йдуть в різних напрямках і утворюють рихлу решітку клітинної стінки. Простір між мікрофібрілами целюлози заповнений геміцелюлозами і пектиновими речовинами, тому первинна клітинна оболонка є дуже пластичною.

Ріст клітин у інтерфазі супроводжується активним внутрішньоклітинним біосинтезом, при цьому розрізняють три фази, в кожній з яких домінує той чи інший процес внутрішньоклітинного біосинтезу. Перша фаза називається пресинтетичною (G₁) , друга – синтетичною (S), третя – постсинтетичною (G₂).

Пресинтетична фаза характеризується зростанням кількості цитоплазми, органел, синтезом ферментів, нуклеотидів для наступного синтезу нуклеїнових кислот. Тривалість цієї фази –3-8 годин. У синтетичну фазу, яка триває 10-11 годин, відбувається подвоєння генетичного матеріалу, синтез ДНК, РНК, ядерних білків – гістонів. У постсинтетичну фазу формуються структури, які беруть участь у мітозі – посилюється синтез різноманітних білків, зокрема тубуліну, з якого утворюються нитки веретена поділу. Тривалість постсинтетичної фази – 4-5 годин. При певних умовах клітина може знаходитися в стані спокою, який в структурі мітотичного циклу позначають як період G_0. При цьому клітина зберігає здатність до проліферації під впливом певних стимулів.

Як правило, тривалість інтерфази в 8-10 разів більша, ніж тривалість мітозу.

Загальна тривалість мітозів в меристемах пагонів залежить від особливостей росту даного виду рослин, однак, як правило, коливається в межах 30 хвилин – 3 години. Мітотичний поділ клітини проходить через ряд фаз – профазу, метафазу, анафазу і телофазу (рис. 2. 2 ):

Рис. 2. 2. Мітоз ( схематизовано):

1 – інтерфаза; 2 – профаза; 3 – метафаза (вигляд збоку); 4 – метафаза (вигляд зверху); 5 – анафаза; 6- телофаза і початок цитокінезу; 7 – цитокінез; 8 – інтерфаза.

В профазі хромосоми розщеплюються вздовж на хроматиди, відбувається ущільнення хромосом шляхом їх спіралізації. Початок профази визначити важко, кінцем фази вважають початок руху хромосом до екваторіальної площини. В пізній профазі зникає ядерна оболонка, цитоплазматичний ретикулюм при цьому збирається навколо ядра, пізніше – навколо “мітотичного апарату”. Метакінез - проміжна фаза, яка характеризує початок руху хромосом. Рух хромосом направляється кінетохорами у відповідності з орієнтацією полюсів “мітотичного веретена”. В клітинах рослин відсутні центріолі, які є характерними для тваринних клітин. Їх функцію виконують скопичення мембран ендоплазматичної сітки на полюсах клітини. Саме з ними пов’язані структурні елементи веретена поділу.

В метафазі хромосоми остаточно розташовуються по екватору “мітотичного апарату”. Веретено мітотичного апарату складається з двох елементів: з центрального веретена, утвореного нитками, що йдуть від одного полюсу до іншого, та з “хромосомного веретена”, що складається з системи ниток, що з’єднують хромосоми з відповідними полюсами.

Перехід від метафази до анафази супроводжується роз’єднанням сестринських хроматид в хромосомі. При цьому вони починають пересуватися до полюсів веретена. В процесі руху хромосом до полюсів нитки “хромосомного веретена” вкорочуються, а центральне веретено подовжується. Відбувається точний розподіл генетичного матеріалу і на кожному полюсі з’являється таке ж число хромосом, яке було у материнської клітини до їх подвоєння.

В пізній анафазі починає утворюватися фрагмопласт. При цьому в екваторіальній площині накопичуються пухирці Гольджі, туди стягуються нитки веретена, мікротрубочки, елементи ендоплазматичного ретикулуму. Ці елементи формують достатньо щільне утворення, яке починає розділяти клітину.

В телофазі на кожному полюсі відбувається деспіралізація хромосом, руйнується мітотичне веретено, відновлюється ядерна оболонка і ядерця. Під час телофази з фрагмопласту формується серединна пластинка, яка постійно наростає у бік стінок клітини. Пластинка стає середнім шаром нової поперечної стінки, на який з боків цитоплазми дочірніх клітин формується первинна клітинна стінка. Таким чином завершується цитокінез, тобто поділ всієї клітини.

Фаза розтягування клітини відповідає лог - фазі великої кривої росту. В цю фазу вступають клітини, які знаходяться під зоною поділу у пагонах і над зоною поділу - в коренях рослин, а для інтеркалярних меристем – вниз і вгору від них. Так, в коренях цибулі мітози припиняються вже на відстані 1000-1900 мкм від кінчика кореня, у вівса-810-1800 мкм, гороху-1500 мкм, тимофіївки - 400 мкм тощо. Тут вже відбувається розтягування клітин. При цьому розміри зон розтягування становлять 3000-7000 мкм у бобів, кукурудзи - 2000-6000 мкм, тимофіївки 370-1000 мкм. Для інтеркалярних меристем перехід від зони поділу до зони розтягування різкий – на відстані 1500-2000 мкм від інтеркалярної меристеми клітини досягають остаточних розмірів.

У фазу розтягування зменшується в’язкість цитоплазми, утворюються вакуолі, формується більш розвинена гранулярна ендоплазматична сітка за рахунок приєднання рибосом. В амілопластах накопичується крохмаль. Ядро набуває неправильної форми, що забезпечує збільшення площі взаємодії з цитоплазмою, розміри ядерець зменшуються. Посилюється інтенсивність обміну, зокрема збільшується вміст РНК, білка, амінокислот, зростає активність багатьох гідролітичних ферментів. Внаслідок цього у вакуолях збільшується вміст цукрів, причому якщо в зоні поділу цукри представлені лише сахарозою, то в зоні розтягування переважають глюкоза і фруктоза.

Протягом всієї фази об’єм клітини зростає у 20-50 разів. Цей процес визначається значною пластичністю первинної клітинної стінки, яка представлена, в основному, низькомолекулярними полісахаридами - геміцелюлозами, пектинами, целюлозою з низьким ступенем полімеризації і широкою полідисперсністю, а також білком екстенсином. При збільшенні осмотичного тиску внаслідок формування центральної вакуолі і накопичення осмотично - активних сполук клітинна стінка легко розтягується. Одночасно в неї вбудовуються нові елементи структури (інтусусцепція), які накопичуються у диктіосомах апарату Гольджі і шляхом зворотного піноцитозу транспортуються на зовнішній бік плазмалеми. Завдяки цьому товщина первинної клітинної стінки під час росту розтягуванням клітини практично не змінюється. Таким же шляхом, очевидно, доставляються і ферменти, які відповідають за полімеризацію структурних полісахаридів при формуванні клітинної стінки. Елементи мембран диктіосом вбудовуються у плазмалему, що сприяє збільшенню площі цитоплазматичної мембрани.

Вважають, що основною причиною переходу клітини до розтягування є зміна градієнтів та співвідношення фітогормонів в різних зонах меристеми при віддаленні клітин від ініціалей. Зокрема, змінюється співвідношення між цитокінінами і індолілоцтовою кислотою (ІОК) в бік збільшення концентрації останнього, що інгібує поділ клітин і стимулює ріст розтягуванням. ІОК стимулює так званий “кислий ріст “внаслідок посилення роботи протонної помпи в плазмалемі і накопичення Н⁺ в клітинній стінці. Це призводить до активації кислих гідролаз, розривів зв’язків між полісахаридами, часткової їх деполімеризації, що сприяє підвищенню пластичності клітинних стінок. Початок формування вторинної стінки шляхом відкладання шарів целюлози з середини клітини на первинну клітинну стінку (апозиція) призводить до уповільнення росту шляхом розтягування (фаза сповільненого росту на ростовій кривій).

Диференціація клітин – це накопичення морфологічних і фізіологічних відмінностей між ними, пов’язаних з спеціалізацією. Внаслідок цього в рослинному організмі утворюється 76 типів клітин, які виконують різні функції. Цей процес проходить або одночасно з ростом клітин (лог - фаза і фаза сповільнення росту), або після його завершення, тобто відповідає зоні плато великої кривої росту.

В кінцевому підсумку всі клітини організму утворені внаслідок ділення однієї клітини з подвійним набором хромосом – зиготи, а значить, несуть одну й ту ж спадкову інформацію і є тотипотентними, тобто при певних умовах можуть дати початок формуванню різних органів або навіть новій рослині. Зокрема, в культурі тканини внаслідок здатності до дедиференціації клітин можна регенерувати цілу рослину з окремих клітин, незалежно від того, з якого органу або тканини вони виділені.

Таким чином, в кожному типі клітин реалізовано лише частину спадкової інформації, тобто одні гени є активними, інші “вимкненими”. Ефектором експресії генів є певне співвідношення фізико-хімічних факторів (тиску сусідніх клітин, освітлення, температурного режиму, електричних полей, концентрації О₂, СО₂ тощо), фітогормонів і метаболітів. Вздовж осі меристеми формуються градієнти цих факторів, тобто клітини різних зон меристеми зазнають різного впливу цих факторів та їх співвідношень, що отримало назву “позиційної інформації”. За цих умов реалізується лише такі потенції клітини, які відповідають визначеному співвідношенню факторів, тобто такі, до яких клітина є компетентною.

Епідермальні клітини диференціюються вже в апікальній меристемі, молоді клітини інших тканин морфологічно не відрізняються між собою, однак їх майбутня спеціалізація часто визначається ще у зоні поділу клітин. Цей процес називається детермінацією.

Суттєві зміни відбуваються не лише у цитоплазмі і ядрі клітини при диференціації, але й у клітинних стінках, що найбільш характерно для провідних, механічних і покривних тканин. Формування потужної вторинної клітинної стінки, основним компонентом якої є целюлоза, накопичення в клітинних оболонках лігніну, забезпечує міцність провідних елементів деревини і склеренхіми. Процеси суберинізації та кутинізації супроводжують утворення покривних тканин. При цьому у деяких тканин в клітинах вторинна клітинна стінка не формується зовсім (запасаюча паренхіма, хлоренхіма).

Старіння і відмирання клітини є закономірним етапом онтогенезу. В цей період відбувається деградація хлоропластів, руйнування хлорофілів в них, набрякають мітохондрії, ендоплазматичний ретикулюм, диктіосоми. В ядрах з’являються вакуолі, руйнуються ядерця. Проникність мембран різко підвищується, відбувається утворення автофагічних вакуолей. На кінцевому етапі руйнується тонопласт, який забезпечував роботу протонної помпи і відкачку Н⁺ у вакуолі, що призводить до різкого зміщення рН цитоплазм у кислий бік. Це суттєво змінює активність ферментів, призводить до активації кислих гідролаз і посиленню гідролітичних процесів. Основними причинами старіння сьогодні вважають нагромадження пошкоджень в генетичному апараті, мембранах та інших структурах, або включення генетичної програми старіння.

За тривалістю життєвого циклу всі рослини поділяються на однорічні, дворічні і багаторічні.

Однорічні рослини представлені в природі кількома групами - ефемерами, однорічними ярими рослинами, однорічними озимими формами.

Ефемери – частіше рослини степів і напівпустель, мають короткий цикл розвитку, який завершується весною за 4-6 тижнів. При цьому використовуються зимові і ранньовесняні запаси води, сухий період року переживають у вигляді насіння.

Однорічні ярі рослини – це рослини, вегетація яких починається весною або літом і завершується того ж літа або восени.

Однорічні озимі рослини починають вегетацію восени і завершують її плодоношенням влітку або осінню наступного року.

Дворічні рослини на першому році життя утворюють вегетативні органи, на другий рік відбуваються процеси цвітіння і плодоношення, після чого вони відмирають.

Багаторічні рослини характеризуються різною тривалістю життя – від 3 - 4 років (трав’янисті рослини) до багатьох століть (дуб, липа) і навіть тисячоліть (мамонтове дерево). В залежності від характеру вегетативного росту і генеративного розвитку багаторічні рослини поділяються на монокарпічні (плодоносять один раз в житті) і полікарпічні (плодоносять багато разів в житті). При цьому монокарпічні рослини після плодоношення в нормі відмирають, а полікарпічні рослини квітують і плодоносять ще ряд років.

Довговічність багатьох полікарпічних видів вражає. Секвоя (мамонтове дерево) живе до 5000 років, кипарис, ліванський дуб, тис – до 3000 років, каштан – до 2000 років, дуб, ялина липа –більше 1000 років, тополя, бук, сосна, горіх грецький від 300 до 600 років, яблуня, груша, черешня від 100 до 400 років і більше.

Незалежно від тривалості життя у більшості вищих рослин в життєвому циклі чітко прослідковуються окремі періоди, які характеризуються специфічними анатомо-морфологічними і біологічними особливостями : ембріональний, ювенільний, репродуктивний, старість.

Ембріональний період характеризується онтогенетичними змінами в зародку від зиготи до повного дозрівання насіння. Наступним періодом є ювенільний (етап молодості), який характеризується проростанням насіння або органів вегетативного розмноження і формуванням вегетативний органів, збільшенням їх маси. Тривалість цього періоду коливається від кількох тижнів у однорічних рослин до десятків років у багатьох трав’янистих рослин і особливо деревних порід. Третій віковий період – це період зрілості. На цьому етапі формуються органи розмноження, починаючи від утворення квіткових бугорків в суцвітті і диференціації архіспориальних клітин в материнських клітинах мікро- і макроспор, і закінчуючи утворенням зиготи.

Період старіння починається після повного припинення плодоношення і триває до природної смерті рослини або плодоносних пагонів.

Тривалий час над вивченням вікових змін онтогенезу рослин працював Н.П. Кренке, який у 1940 році розробив теорію циклічного старіння і омолодження рослин в онтогенезі. Під старінням Н.П. Кренке розумів всі зміни, які відбуваються в рослинному організмі в процесі розвитку, від ембріонального віку до старості. Потенціал життєздатності, за цим вченим, повністю визначається спадковістю і в процесі життя тільки втрачається. В будь - якій частині рослини потенціал життєздатності дорівнює початковому мінус використану його частину за час власного життя. Онтогенез розглядався цим вченим як “втрата потенціалу життєздатності”, причому найвищий потенціал має зигота.

Процес старіння, за Н.П. Кренке, відбувається не безперервно, а циклічно, перериваючись протилежним процесом омолодження. Циклічність онтогенетичного розвитку полягає в тому, що дочірні клітини при своєму новоутворенні є тимчасово омолодженими по відношенню до материнської клітини. Внаслідок цього у будь який момент росту верхівки пагона відбувається часткове омолодження точки росту у порівнянні з попереднім її станом. Однак під впливом збільшення загального віку рослини одночасно відбувається послідовне старіння конусу наростання. Таким чином, в житті рослини можна спостерігати цикли омолодження, які поступово слабішають. Такі цикли омолодження і старіння автор назвав малими циклами. Великі цикли омолодження пролягають в тому, що під осінь індивідуум старіє, а при весняному пробудженні відбувається омолодження пагонів, відновлення лісу через поросль, вегетативне розмноження.

Одним з найбільш важливих положень теорії є поняття про власний і загальний вік органу. Під власним віком розуміється час, який минув з моменту закладання органу. Загальний вік визначається власним віком органу і віком материнського індивідууму. При цьому органи або тканини одного власного, але різного загального віку, будуть відрізнятися за біохімічними і фізіологічними показниками. Зокрема, Н.П. Крекне вдалося встановити, що у рослин шовковиці листки молодших, середнього віку і старих дерев суттєво розрізняються. Листки з старих дерев не поїдаються шовкопрядом, листки дерев середнього віку поїдаються погано, а листки з дерев молодого віку поїдаються добре. Для вегетативного розмноження шовковиці живці слід брати від рослин молодого віку.

Гормональний контроль швидкості і спрямованості росту.

Всі етапи росту і розвитку рослин знаходяться під гормональним контролем. До фітогормонів відносяться ендогенні регулятори росту, які є природними продуктами обміну, утворюються в спеціалізованих тканинах і здатні в малих дозах (10^-5 –10^-12 М ) здійснювати локальні і дистанційні фізіологічні ефекти. Утворюючись в одних органах і тканинах, вони можуть надходити до інших органів і тканин, спрямовуючи характер обмінних процесів. Завдяки гормонам в рослині включаються або виключаються морфологічні і фізіологічні програми, чітко функціонує донорно-акцепторна система, яка координує процеси росту і фотосинтезу, забезпечується цілісність рослинного організму.

Перші відомості про існування гормональної системи регуляції у рослин отримали і описали в своїй праці “Здатність рослин до рухів” Ч. Дарвін та його син, фізіолог рослин, Френсіс (1880). В експериментах по вивченню фототропізму канаркової трави (Phalaris canariensis) вчені встановили, що у верхній частині колеоптиля, на яку діє світло, міститься речовина, яка передає її вплив у нижню частину.

Насіння пророщували у темряві, а потім проростки виставляли на слабке бічне світло. При цьому вони вигиналися у бік джерела світла. Коли дослідники закривали верхівки проростків ковпачками з тонкого станіолю і виставляли на бічне світло – фототропічний вигин був відсутній. В інших дослідах вологим піском засипали нижню частину проростку, залишаючи на світлі верхівку, при цьому вигин був. Аналогічні результати Ч. Дарвін отримав з колеоптилями вівса, гіпокотилями буряка і капусти.

В дослідах з корінцями білої гірчиці Sinapis alba L., які є негативно фототропічними, вчені встановили, що якщо за допомогою азотнокислого срібла вбити верхівку корінця хоча б на 1мм, то корінець перестає проявляти фототропічну реакцію. Таким чином було встановлено, що чутливість до світла у кореня і стебла (сенсорна зона) локалізована у верхівці органу, а реакція на це подразнення (вигин) проявляється в базальній частині органу (моторна зона). Ч. Дарвін зробив висновок, що передача фототропічного стимулу відбувається за допомогою особливої активної речовини.

Звертаючи увагу на особливу роль кінчику кореня у ростових рухах, вчений порівняв кінчик кореня з мозком нижчої тварини. Це дало підстави деяким вченим того часу обґрунтовувати наявність психіки у рослин, що викликало заперечення багатьох інших вчених і у запалі полеміки важливий висновок Ч. Дарвіна про активні речовини, які здатні транспортуватися по рослині і передавати впливи зовнішнього середовища, не отримав належної оцінки.

В 1893 р. В.А. Ротерт перерізав обидва судинно-волокнисті пучки колеоптилю вівса і освітлював проростки збоку вище місця надрізу. При цьому проростки в нижній частині вигиналися в бік світла, що дало підставу зробити висновок, що передача стимулу відбувається через клітини основної паренхіми. В 1911 р. П. Бойсен-Йєнсен зовсім відрізав верхівку, а потім приклеїв її на місце 10%-ним желатином. Виявилося, що подразнення передається через шар желатину. Крім того, цей вчений довів, що якщо в перпендикулярний надріз вставити пластинку слюди на боці, оберненому до світла, вигин колеоптиля був, якщо з затіненого боку - вигину не було. Таким чином було доведено, що фототрофічне подразнення передається по затіненій частині органу.

Аналогічні експерименти провели А. Пааль (1918) і Г. Зедінг (1925): вони показали, що якісь речовини, які продукуються верхівкою органу, впливають на ріст розташованих нижче тканин. При цьому А.Пааль вводить термін “регулятори росту”, а Г. Федінг - “гормони росту”.

Академік М.Г. Холодний (1924) показав, що якщо зрізану верхівку колеоптиля прикласти до декапітованого кореня кукурудзи, відбувається геотропічна реакція, навіть сильніша, ніж у непошкоджених рослин. Пізніше було встановлено, що речовини, які передають стимул, неспецифічні: верхівка колеоптиля кукурудзи, насаджена на декапітований корінець люпину, викликають чіткий геотропічний вигин. У 1931 р. М.Г. Холодний встановитв, що фітогормони суттєво впливають на морфогенез рослин. Зокрема, він прикладав до непошкодженого кореня колеоптиля кілька відрізаних верхівок колеоптиля цієї ж рослини, і спостерігав появу в цьому місці нетипового потовщення з кореневими волосками, більш ранню закладку бічних корінців. Пізніше було доведено, що фізіологічно активні речовини, які впливають на ріст і морфогенез рослин здатні утворювати бульбочкові бактерії, внаслідок чого утворюються і розростаються бульбочки на корінцях; деякі личинки комах виділяють в тканини рослини активні речовини, які викликають утворення наростів (галів).

У рослин розрізняють п’ять основних груп гормонів: 1) ауксини, 2) гібереліни, 3) цитокініни, 5) абсцизова кислота, 6) етилен.

Ауксини.

В 1926 - 1928 рр. голанський вчений Ф. Вент поміщав на 1 годину відрізані верхівки колеоптилів на агарові блоки, потім насаджував ці блоки з одного боку на зрізи декапітованих колеоптилів. Гормон проникав з агарового блоку у тканину і викликав вигин, величина якого була пропорційною кількості верхівок колеоптилю, які знаходилися на агарі. Це остаточно дозволило встановити, що “стимул” має хімічну будову. Цю невідому ще хімічну речовину Ф. Вент назвав ауксином, від грецького слова auxanomai – рости.

Вперше кристалічний ауксин був отриманий Ф. Кеглем з співробітниками (1931 р.) із сечі людини і олії деяких рослин та і ідентифікований ними як - β- індолілоцтова кислота (ІОК, синонім - гетероауксин) (рис. 2. 3):

Тепер встановлено, що ІОК міститься у всіх вищих рослинах і має вирішальне значення для процесів росту і диференціації. Попередником ІОК є триптофан.

Ауксиновою активністю володіє не лише ІОК, але і інші індольні похідні, близькі за будовою до неї (індоліл-3-ацетонітріл, індоліл-3- ацетальдегід та ін). Тому часто застосовують термін “ауксини”, а не “ауксин”.

В залежності від типу тканини і фізіологічного стану вміст ІОК становить від 1-5 до 300 мг на кг сирої речовини. У вищих рослин найбільше гормону у точках росту стебла, камбії, молодих бруньках і листках, в меристемахї кореня міститься незначна кількість ІОК.

В рослинах представлена як вільна, так і зв’язані форми ІОК. Перша є функціонально активною, а зв’язані форми (з білками, амінокислотами, вуглеводами) є неактивними. За певних умов зв’язана ІОК знову може переходити у вільну форму. Гормон легко руйнується в рослинних тканинах під впливом оксидаз двох типів: 1) пероксидази з ІОК-оксидазною активністю і 2) ІОК-оксидази без пероксидазної активності. У верхівках пагонів і коренів активність ІОК-оксидаз як правило менша, ніж у тканинах і органах, які закінчили свій ріст.

Суть дії гормонів полягає у тому, що вони реалізують взаємозв’язок різних частин рослини. Тому надзвичайно важливого значення набувають спрямованість, шляхи і швидкість пересування гормону.

Пересування ауксину відбувається лише в одному напрямку, тобто його рух по рослині є полярним. В стеблі гормон пересувається базипитально - від верхівки до основи органу, а в корені – акропетально, від основи до верхівки. Швидкість пересування у відрізках колеоптилів становить 8-15 мм/год, в пагонах дводольних рослин –5 - 10 мм/год, в коренях значно повільніше – 1 - 2 мм/год. Полярний транспорт ауксинів відбувається як пасивно, так і активно. Механізм полярного транспорту вивчений ще недостатньо. Вважають, що ауксин дифундує пасивно в апікальну частину цитоплазми даної клітини і активно виводиться з базальної частини за допомогою енергозалежного носія. Таким чином, у транспорті ауксину задіяні як апопласт (клітинні стінки) , так і симпласт. Наявність активного транспорту доводиться тим, що цей транспорт різко уповільнюється в анаеробних умовах, а також за дії інгібіторів дихання – 2,4 - динітрофенолу, ціанідів та ін. Крім того, транспорт може здійснюватися проти градієнта концентрації, а транспортна система має субстратну специфічність – молекули певних ауксинів, наприклад ІОК та α-НОК, пересуваються швидше, ніж 2,4-Д. Встановлено, що транспорт ІОК специфічно інгібується трийодбензойною кислотою (ТЙБК) та флуоренолом. Механізм дії цих інгібіторів, ймовірно, пов’язаний з блокуванням зв’язування ауксину з білком - переносником.

Про наявність пасивного транспорту свідчить той факт, що інгібітори дихання не повністю блокують транспорт ауксину з індивідуальних клітин.

Фізіологічна дія ауксину є поліфункціональною, гормон викликає різноманітні ефекти в тканинах-мішенях. Встановлено, що ауксин стимулює клітинні поділи, зокрема, наряду з іншими гормонами, бере участь у весняній активації камбію, утворення коренів, плодів, насіння. Однак найбільш суттєвий ефект його дії – стимуляція розтягування клітини.

Регуляція розтягування клітин. Перший етап росту у фазу розтягування пов’язаний з тим, що під впливом ауксину відбувається послаблення міцності клітинних стінок, збільшується їх пластичність. При цьому під впливом тургорного тиску клітинні стінки розтягуються, а вакуолі отримують додаткові об’єми води внаслідок осмосу.

Збільшення пластичності клітинних стінок пов’язане з послабленням зв’язків між полісахаридами їх матрикс. Виявилося, що під впливом ІОК відбувається активація “протонної помпи”, внаслідок чого з протопласту у клітинну стінку надходять іони Н⁺.

Існує чітка кореляція між концентрацією ауксину, активністю протонної помпи і швидкістю росту. Підвищення концентрації Н⁺ в клітинній стінці призводить до послаблення водневих зв’язків між мікрофібрілами целюлози і геміцелюлозами (ксилоглюканами). Це дозволяє їм ковзати відносно один одного внаслідок підвищення тургорного тиску. Розриви глюкозидних зв’язків між ланцюгами ксилоглюканів з арабіногалактанами і останніх з рамногалактуранами відбувається за участі ферментів - глюкозидаз, активність яких у кислому середовищі підвищується (рис. 2. 4) :

Рис. 2. 4. Модель будови первинної клітинної стінки

(пояснення в тексті)

За дії ауксину посилюється і активність целюлаз, які руйнують целюлозу клітинних стінок.

Посилення росту клітини внаслідок закислення клітинних стінок отримало назву “кислого росту”. Разом з тим, збільшення розмірів клітини не визначається лише розтягуванням клітинних стінок. Це розтягування супроводжується посиленим синтезом структурних полісахаридів і білку (екстенсину) з наступним включенням їх в структуру стінок. Посилене утворення біополімерів може відбуватися або за рахунок синтезу нових ферментів, відповідальних за утворення компонентів стінки, або активацією вже існуючих ферментів. Вважають, що мають місце обидва процеси. Зокрема, під впливом ІОК різко зростає активність целюлозосинтази в тканевих гомогенатах. Разом з тим, підвищення синтезу білка в клітині за дії ауксину пов’язане з посиленням синтезу всіх фракцій РНК. В період росту клітини білки використовуються для побудови додаткових компонентів цитоплазми і синтезу нових ферментів, які забезпечують наступну диференціацію клітини.

Природні і синтетичні ауксини характеризуються поліфункціональною дією на рослину. Вони беруть участь у тропізмах рослин, стимулюють весняну активність камбію, визначають явище апікального домінування, регулюють пересування речовин по рослині, регулюють опадання зав’язей, листків, плодів.

Зокрема, при обробці молодих корінців розчинами ауксинів відбувається гальмування їх росту в довжину, потовщення і посилене утворення бічних коренів. Потовщення клітин відбувається за рахунок збільшення діаметру клітин, а при переході до вторинної будови – за рахунок збільшення активності камбію і утворення вторинної ксилеми і флоеми. Утворення додаткових бічних коренів пов’язане з стимуляцією ауксинами антиклинальних і периклинальних поділів клітин перициклу, внаслідок чого утворюються кореневі зачатки. Стимуляція утворення бічних коренів за допомогою ауксинів широко використовується вже з 40-х років минулого століття при вегетативному розмноженні стебловими і листковими живцями багатьох цінних плодових і лісових пород, технічних і декоративних культур. ІМК (індолілмасляна кислота) і НОК (нафтилоцтова кислота) – найкращі препарати для прискорення вегетативного розмноження. Обробка кореневих систем багаторічних дерев ауксинами використовується при їх пересадках.

ІОК визначає явище апікального домінування. Воно полягає в тому, що апекс (верхівка) подавляє пробудження і ріст бокових бруньок. Пригнічуюча дія апексу може бути замінена ІОК, яка наноситься у вигляді пасти на місце зрізу верхівки. Вважають, що це явище визначається атрагуючими властивостями фітогормону – верхівка, яка містить значну кількість гормону, або паста з ІОК відіграє роль мобілізаційного центру, до якого надходять інші гормони і поживні речовини.

Ауксини впливають на сексуалізацію квітів. У огірків під впливом ІОК збільшується число жіночих квітів у гермафродитних ліній, з’являються жіночі квіти в чоловічих лініях. Це має практичне значення – збільшується урожай плодів і насіння. За допомогою ауксинів можна затримувати цвітіння, регулювати кількість квітів і плодів на рослині. Обробка дерев персику нафтилоцтовою кислотою в концентрації 125 мг/л викликала затримку цвітіння на 11 днів, а обробка калійною сіллю цієї кислоти в концентрації 200-800 мг/л призводила до затримки початку цвітіння у яблуні, вишні, груші майже на тиждень. Обробка зав’язей томатів 4-хлорфеноксіоцтовою кислотою (4-ХФО) викликає утворення партенокарпічних плодів, які характеризуються прискореним розвитком у порівнянні з насінними плодами. Партенокарпічні плоди груші утворюються при обробці кастрованих квітів розчином натрієвої солі нафтилоксіпропіонової кислоти в концентрації 100-250 мг.

Під час росту плодів в них підтримується висока концентрація ІОК. Завершення росту і перехід до визрівання, фактично старіння плоду, пов’язане із зменшенням вмісту ІОК і зміщенням етилен-ауксинового балансу в бік етилену.

При розвитку великої кількості зав’язей і плодів відбувається природне часткове їх опадання внаслідок формування віддільного шару в плодоніжці. Причина цього явища – недостатнє забезпечення молодих плодиків ауксином, штучна обробка зав’язей фітогормоном затримує опадання. Зокрема, для яблунь і груш найбільш ефектним було застосування для цієї мети розчинів нафтилоцтової кислоти в концентраціях 2,5-10 мг/л.

Гібереліни

В країнах Далекого Сходу здавна відома хвороба рису “скажені сходи” (японська назва – баканае). Цю хворобу викликає гриб - аскоміцет, статева форма якого називається Gibberella fujikuroi, а конідіальна – Fusarium moniliforme. Уражені грибом рослини мають слабо-зелене забарвлення, сильно витягуються у довжину, однак через недорозвиненість механічних тканин стебла полягають. У 1912 р. японський ботанік К. Савада висловив припущення, що захворювання викликає якась речовина, що виділяється грибом. В 1926 р. Е. Куросава експериментально показав, що якщо проростки рису обробити стерилізованим субстратом культурального середовища, на якому вирощувався гриб, у здорових рослин з’являлися типові симптоми хвороби. В 1939 р. Ябута разом з групою співробітників з Токійського університету виділили із культорального середовища, на якому вирощували гриб, кристалічну субстанцію і назвав її гібереліном. В 1954 р. Б. Кросс виділив з цієї субстанції, яка була представлена сумішшю речовин, чисту речовину – гіберелову кислоту (ГК₃), а в 1959 р. цей же дослідник встановив її будову (рис. 2. 5):

Рис. 2. 5. Гіберелова кислота (ГК₃)

Гібереліни являють собою тетрациклічні карбонові кислоти, які відрізняються незначними деталями структури і яких на сьогодні ідентифіковано більше 50-ти. Виділені гібереліни з грибів, водоростей, вищих рослин, з культуральної рідини ряду бактерій.

У вищих рослин гібереліни знайдені у представників більш ніж 100 видів рослин, причому якісний склад гіберелінів різних рослин відрізняється. Зокрема, за допомогою методу газово – рідинної хроматографії гібереліни ГК₄- і ГК₇ були ідентифіковані в насінні яблуні, ГК₁ - в проростках огірка, ГК₁, ГК₅, ГК₈, ГК₉, ГК₁₃ - в цибулинах тюльпану, ГК₃, ГК₄, ГК₇, ГК₈, ГК₉ – в проростках томатів, ГК₁ , ГК ₅ , ГК₆, ГК₈ , ГК₂₀ – в проростках квасолі. Встановлено, що фізіологічна активність різних гіберелінів суттєво різниться.

Гібереліни синтезуються, в основному в листках, а також в коренях, молодих плодах. Найбільший вміст гіберелінів в рослині знайдено у незрілому насінні. Вміст гіберелінів в тканинах рослин становить 10^-9 - 10^-10 г/кг сирої маси.

Найбільш виражена дія гіберелінів – стимуляція росту стебла у карликових сортів рослин (наприклад у карликового гороху), у деяких мутантів по одному - єдиному гену (наприклад у карликової кукурудзи Zea mays, мутант d-5) і у розеткових рослин (наприклад у капусти Brassica oleracea, салату Lactuca sativa). Видовження високорослих рослин під впливом екзогенного гібереліну відбувається слабо. Встановлено, що видовження стебла за дії гібереліну відбувається як за рахунок стимуляції поділів, так і за рахунок розтягування клітин. В окремих рослинах посилення росту стебла може відбуватися лише за рахунок розтягування клітин. Наприклад, в проростках ячменю та пшениці під впливом α-опромінювання припиняється поділ клітин, однак проростки при цьому продовжували рости.

Карликовий мутант d-5 кукурудзи в нормі не містить гіберелоподібних речовин, однак обробка рослин екзогенним гібереліном призводила до формування фенокопії нормальної рослини - мутант інтенсивно ріс і досягав розмірів нормальної кукурудзи. Це дало підставу вважати, що мутація здійснила негативний вплив на фермент, відповідальний за один з етапів синтезу гібереліну. Експериментально було доведено, що активність ферменту ент-каурен-синтази, який відповідає за утворення попередника гіберелінів – ент-каурену, у мутанта в п’ять разів менша, ніж у нормальних рослин. В інших випадках не вдавалося встановити різницю у вмісті гіберелінів в рослинах карликових і нормальних форм, або констатувалася якісна різниця гіберелінів. Тобто, карликовість не завжди пов’язана з аномальним синтезом гіберелінів.

Встановлено, що гібереліни стимулюють цвітіння рослин довгого дня і практично не впливає на цвітіння рослин короткого дня. Є дані, які свідчать про стимулюючу дію довгого дня на синтез гіберелінів, що і викликає відповідну реакцію. Доза гібереліну, яка необхідна для індукції цвітіння, знаходиться у різних видів в інтервалі 3-100 мкг в перерахунку на рослину. За незначними виключеннями, таку реакцію можна спостерігати тільки у рослин з розетковим габітусом, при цьому перехід до генеративної фази пов’язаний з стрілкуванням - швидким ростом осьового пагона.

Гібереліни викликають явище партенокарпії більш ефективно, ніж ауксини. При цьому розвиваються нормального виду плоди, однак без утворення насіння. Застосування гіберелінів на безнасінних сортах винограду викликає інтенсивний ріст ягід, врожайність зростає більш ніж у 2 рази.

Гібереліни здатні регулювати вихід насіння із спокою та його проростання. У злаків, наприклад, після того, як насіння вбере через мікропіле воду, зародок в зоні щитку синтезує гібереліни ГК₃ і ГК₄. Ці гібереліни транспортуються до алейронового шару, де виступають в якості дерепресанта гену, відповідального за синтез матричної РНК, яка кодує утворення ферменту α -амілази. Синтез ферменту de-novo під впливом гіберелінів було доведено в модельних дослідах з використанням мічених амінокислот. Далі фермент виділяється у ендосперм, гідролізує крохмаль до цукрів, а вони вже використовуються для забезпечення розвитку зародка. Центром синтезу цих форм гіберелінів є саме зародок: якщо перед замочуванням видалити зародок з насіння, гідролізу крохмалю не відбувається. Таким чином, зародок контролює за допомогою гібереліну метаболічну активність ендосперму – просторово віддаленої від нього тканини, що є доказом гормональної функції гіберелінів. В модельних дослідах встановлено, що синтез і виділення α-амілази з клітин алейронового шару у ендосперм починається приблизно через 9 годин після додавання гібереліну.

В практиці здатність гібереліну прискорювати проростання ячменю та збільшувати амілазну активність солоду широко використовується для скорочення часу приготуванні солоду і покращення його якості у пивоварінні.

В окремих роботах показано, що інактивація гіберелінів в рослині може відбуватися шляхом перетворення одних гіберелінів на інші (наприклад ГК₁ на малоактивну форму ГК₈), або утворенням зв’язаних форм гормонів - гіберелінових глюкозидів, а також зв’язаних з білками форм. Наприклад, при дозріванні насіння відбувається зменшення вмісту вільних гіберелінів і збільшення вмісту коньюгованих форм, при проростанні насіння відбувається зворотній процес. Здатність гіберелінів переривати спокій у бульб картоплі широко використовується для отримання насіннєвого матеріалу при двох урожаях картоплі в південних регіонах. Розроблені регламенти застосування гіберелінів для регуляції продукційного процесу ряду важливих сільськогосподарських культур.

Цитокініни

Відкриття цитокінінів пов’язане з пошуком стимуляторів поділу рослинних клітин, що вирощувалися в культурі. В п’ятидесятих роках минулого століття К. Міллер і Ф. Скуг встановили, що клітини серцевини тютюну, які вирощувалися на штучному середовищі в присутності ауксину, ростуть, але не діляться. Якщо в субстрат додавали кокосове молоко, старий солод або автоклавовані препарати ДНК з молок оселедця, клітини починали активно ділитися. Саме з автоклавованих препаратів молок оселедця в 1956 р. і була виділена активна речовина, яка була названа кінетином (С₁₀Н₉N₅O) ідентифікована як 6-фурфуриламінопурин. В концентрації 1 мкг/мл кінетин викликає клітинні поділи в серцевині тютюну.

Пізніше було встановлено, що кінетин у рослин не зустрічається, однак речовини близької до нього хімічної будови з аналогічною фізіологічною дією широко представлені в рослинах. За свою здатність стимулювати клітинні поділи (цитокінез) вони отримали назву цитокініни. Перший природний цитокінін був виділений з незрілого насіння кукурудзи у 1963 р. Д. Летамом і отримав назву зеатин. Пізніше були виділені природні цитокінінни зеатинрибозид та ізопентеніладенін, які присутні в усіх досліджених рослинах. В 70-х роках було виділено низку інших природних цитокінінів. Завдяки легкій хімічній модифікації молекул цитокініну отримано також значну кількість синтетичних аналогів гормону.

За хімічною будовою цитокініни є похідними аденіну (рис. 2.6).

Якщо цитокінін пов’язаний з залишком рибози, його називають рибозидом (наприклад зеатинрибозид), якщо з залишками рибози і фосфату, його називають риботидом (наприклад зеатинриботид). Рибозиди і риботиди менш активні, ніж вільні цитокініни, вони розглядаються як транспортні форми гормонів. Зокрема, основним цитокініном ксилемного соку є зеатинрибозид.

Існуючі дані свідчать про те, що цитокініни синтезуються, головним чином в кінчиках кореня, молодих плодах і насінні. Питання про можливість синтезу цитокінінів в меристемах пагона залишається відкритим. Пересування цитокінів від основного місця утворення – кінчиків кореня до листків відбувається разом з ксилемним соком. Цитокініни плодів і насіння, очевидно, не транслокуються. Не встановлено також пересування цитокінінів з листків, до яких вони надійшли з кореня, у інші органи рослини.

Дуже багато цитокінінів в кореневих бульбочках бобових рослин, однак важко прослідкувати їх походження, а саме: яка частина синтезується клітинами рослини, а яка частина – бульбочковими бактеріями.