Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве




Скачать 121.38 Kb.
НазваниеРегуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве
страница1/2
Дата публикации23.04.2013
Размер121.38 Kb.
ТипДокументы
vbibl.ru > Химия > Документы
  1   2
УДК 631.8 + 581.43:663.63


С.П. ПОНОМАРЕНКО РЕГУЛЯТОРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ КЛЕТКИ –

НАНОТЕХНОЛОГИИ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
С.П. ПОНОМАРЕНКО - директор Межведомственного научно-технологического центра «Агробиотех» Национальной академии наук и Министерства образования и науки Украины
Созданы регуляторы роста растений нового поколения, характеризующиеся высокой эффективностью и экологической безопасностью. Они активизируют основные процессы жизнедеятельности растений – ускорение передачи генетической информации, мембранные процессы, деление клеток, ферментные системы, фотосинтез, процессы дыхания и питания, способствуют повышению биологической и хозяйственной эффективности растениеводства, снижению содержания нитратов, ионов тяжелых металлов и радионуклидов в продукции.
И, тем не менее, вопросы качества продукции растениеводства все больше волнуют как потребителей, так и производителей, особенно при переходе к рыночным условиям хозяйствования. Ученые Украины вносят значительный вклад в решение этой мировой проблемы. В Государственном предприятии «Межведомственный научно-технологический центр «Агробиотех» НАН Украины и Министерства образования Украины, созданном в 2000 году, проводятся исследования в области высоких и критических технологий для растениеводства. Разработана научно-обоснованная стратегия исследований по поиску биорегуляторов роста растений – от создания и всестороннего изучения до отработки энергосберегающих высоких технологий их применения в сельскохозяйственном производстве, лесоводстве, дендрологии, биотехнологии.

Согласно современным представлениям регуляция роста и развития растений осуществляется комплексом фитогормонов, включающим ауксины, цитокинины, гиббереллины, абсцизовую кислоту, этилен. Многообразие ответных реакций растения на внешние воздействия определяется изменением фитогормонального комплекса, компоненты которого активно взаимодействуют. Изменение концентрации одного фитогормона приводит к изменению содержания других гормонов. Молекулярные механизмы этих взаимодействий in vivo в настоящее время не достаточно ясны, за исключением исследований на модельных системах. Взаимодействие фитогормонов может достигаться различными путями, например, за счет влияния на биосинтез других фитогормонов, их инактивацию или распад, транспорт или мобилизацию фитогормонов из резервного фонда. Общий принцип реализации фитогормональной активности включает биосинтез фитогормонов, образование гормон-рецепторного комплекса, вызывающего определенные биохимические и физиологические изменения. Сущностью происходящих изменений является опосредованное регуляторное действие фитогормонов на передачу генетической информации в клетках, индуцирование биосинтеза белков и тем самым ускорение развития растений, активизация роста, перераспределения питательных веществ и, как следствие, обеспечение качества и урожайности сельскохозяйственных культур.

Понятие фитогормонального баланса (равновесия) включает динамику изменения состава и соотношения фитогормонов в онтогенезе. Соотношение эндогенных фитогормонов постоянно меняется, они находятся в динамическом соотношении, поддерживаемом за счет синтеза, распада, их транспорта [1,2,3]. Характерной особенностью этого «равновесия» является чрезвычайная подвижность и чувствительность к внешним воздействиям. Анализ литературных данных показывает, что на содержание фитогормонов, их «равновесие» в значительной степени влияют такие внешние факторы как температура окружающей среды [4], влажность воздуха и почвы [5], освещенность [6], промышленные загрязнения, тяжелые металлы, пестициды, электромагнитные излучения, повреждения растений вредителями и болезнями. Таким образом, практически любое внешнее воздействие приводит к той или иной степени изменения соотношения эндогенных фитогормонов, т.е. растение адаптируется к внешнему воздействию. При этом соотношение фитогормонов может изменяться очень быстро, и эти изменения удается зафиксировать уже в течение первого часа воздействия на растения. В этом плане целесообразно остановиться на работе, связанной с изучением влияния регуляторов роста растений на фитогормональный баланс в проростках кукурузы. Исследовалось содержание эндогенных фитогормонов в корешках и колеоптелях 48- часовых проростков кукурузы, которая была выращена на питательных средах с добавлением регуляторов роста растений Ивина (1·10-11 М); Эмистима С (1·10-7 М.); Агростимулина (1·10-7 М) созданных в ИБОНХ НАН Украины. В основе их создания заложена закономерность «доза-эффект» [7].

^ Ивин (2,6-диметилпиридин -1-оксид) – синтетический аналог фитогормонов ауксиновой природы;

Эмистим С – регулятор роста растений природного происхождения, продукт биотехнологического производства – культивирования микромицетов, выделенных из корневой системы лекарственных растений, в стерильных условиях на жидкой питательной среде;

Агростимулин – композиционный регулятор роста растений, состоящий из Эмистима С и Ивина в оптимально сбалансированном соотношении.

Для количественной оценки содержания эндогенных фитогормонов использовали метод тонкослойной хроматографии со спектроденситометрией продуктов экстракции корешков и колеоптелей. В контроле уровень содержания 3-индолилуксусной кислоты в колеоптилях был на 29% выше, а уровень зеатина в два раза выше, чем в корешках. Содержание зеатинрибозида и абсцизовой кислоты в корнях и колеоптилях было на одном уровне.

Обработка семян регуляторами роста вызвала перераспределение содержания фитогормонов в колеоптилях и корешках без изменения их общей суммы, за исключением воздействия Агростимулина.

Ивин, обладающий ауксиноподобным действием, способствовал уменьшению количества 3-индолилуксусной кислоты в корнях на 44% и ее возрастанию в колеоптилях на 15%, содержание абсцизовой кислотой в колеоптилях увеличивалось незначительно. Содержание зеатина в корешках было на 26 % ниже, чем в колеоптилях, а содержание зеатинрибозида в надземной части увеличивалось на 67%.

В варианте с Эмистимом С содержание 3-индолилуксусной кислоты в колеоптилях было не намного выше, чем в контроле. Содержание зеатина в корешках уменьшилось на 69%. Содержание зеатинрибозида уменьшилось на 44-45% как в корешках, так и в колеоптилях.

В исследованиях были выявлены две особенности влияния Агростимулина: в корешках увеличение содержания 3-индолилуксусной кислоты составило 33%, содержание цитокининов в колеоптилях резко увеличивалось на 265%, главным образом за счет зеатина т.е. по аналогии с Эмистимом С наблюдалось увеличение содержания цитокининов в колеоптилях и уменьшение их в корешках.

Почему стало возможным решать задачи такого уровня, научно обоснованно создавать уникальные регуляторы роста растений, эффективно работающие в столь низких (нано-) концентрациях действующих веществ?

Углубленные исследования физико-химических свойств регуляторов роста растений на основе N-оксидов производных пиридина с использованием ядерного магнитного резонанса, диэлектрометрии, калориметрии, ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии, квантово-химических расчетов показали, что созданные биорегуляторы имеют ряд уникальных свойств, которые в значительной мере объясняют их высокую рострегулирующую активность [8].

Установлено, что регулятор роста растений Ивин и его аналоги очень чувствительны к медленным механическим колебаниям, изменениям электрических и магнитных полей, инфразвука. Они проявляют свойства электронных или ионных полупроводников, что делает их способными к выполнению функций коммуникации в живых организмах – передаче электрических и магнитных импульсов, другой сигнальной информации. Ивин и некоторые другие N-оксиды производных пиридина по характеру теплового движения являются аномальными «газоподобными» веществами, в которых происходит незаторможенное инерционное вращение молекул, похожее на вращение «волчка», в отличие от медленных броуновских столкновений, свойственных большинству химических соединений. Это в сочетании с оптимальной обтекаемой дискообразной формой молекул способствует их легкому проникновению через полупроницаемые мембраны растительных клеток.

Последнее было убедительно доказано при изучении поступления радиоактивномеченного 14С – ивина в клетки проростков кукурузы. Так, уже в течение первых часов экспозиции проростков кукурузы в растворе меченного препарата радиоактивная метка регистрировалась как в корневой системе, так и в надземной части растения, причем уровень радиоактивности в растении через 12 часов составлял около 85% от общей дозы радиоактивного Ивина, взятого в эксперимент.

Были изучены также процессы активного транспорта ионов (К+, Н+, NO3-) через клеточные мембраны, которые происходят в корешках проростков кукурузы, выращенных из семян, обработанных Ивином. Эти проростки в сравнении с контролем характеризовались усиленным развитием боковых волосков, прогрессирующим накоплением сырой массы корневой системы и, в меньшей мере, развитием надземной части проростков. Подобный эффект мы наблюдали при внесении препарата в питательный раствор при проращивании проростков кукурузы. При этом проницаемость корневой системы для ионов калия, водорода, нитратов увеличивалась в 10-20 раз, что регистрировалось методами ионометрии.

Последующее изучение транспортных процессов на мембранном уровне (на препаратах плазматических мембран, выделенных из корешков проростков кукурузы) показало, что Ивин повышает активность фермента H+- АТФазы, которая регулирует работу протонного насоса клетки, что приводит к активации транспортных процессов. Этому способствуют происходящие изменения состава мембран растительной клетки под влиянием регуляторов роста растений – снижается содержание стеринов при увеличении содержания фосфолипидов. Изучение этих процессов показало, что происходит стимуляция одновременно как активного, так и пассивного транспорта ионов.

В этой связи интересные и практически полезные результаты получены специалистами Российского НИИ почвоведения и агрохимии при изучении регуляторов роста Ивина и Эмистима С в АПК «Москва», (Московская обл.). Показано, что под влиянием регуляторов роста при выращивании томатов в продукции произошло снижение содержания нитратов на 33%, ионов тяжелых металлов (свинца, кадмия, ртути) – на 50%, на 40% снизилась заболеваемость растений и, как следствие, улучшилось качество продукции.

Не менее интересные данные изложены в работе [9]. Изучено влияние экстремальных факторов (низких и высоких температур, ионов тяжелых металлов) на адаптационные процессы в растениях кукурузы сорта Закарпатская желтая, которые происходят за счет активации внутриклеточных ресурсов и кореллируют с индукцией синтеза специфических полипептидов, в том числе и стрессовых белков, с изменениями ионного и фитогормонального баланса. Показано, что наиболее чувствительны к действию неблагоприятных температур (+8оС, +42 оС) клетки апикальной меристемы корешков, которые реагируют снижением митотической активности и существенным повышением уровня стрессового фитогормона абсцизовой кислоты, что приводит к снижению темпов роста растений. Доказана защитная роль экзогенных регуляторов роста

6-БАП (6-бензиламинопурина – 1 ·10-8 М) и Зеастимулина – (регулятор роста кукурузы –
1 ·10-3 М), которая проявляется в индукции репарационных процессов и в регуляции адаптационной возможности растений кукурузы, направленных на постепенную нормализацию митотического цикла, фитогормонального статуса, синтеза стрессовых белков и возобновления роста осевых органов.

Впервые показано совместное воздействие гипертермии, ионов тяжелых металлов (Cd 2+ , Pb2+ ) и регуляторов роста растений. Двойная стрессовая нагрузка вызывает синтез новых высокомолекулярных белков массой (180, 210, 240 кДа), что указывает на изменения экспрессии генов, ответственных за синтез белков. Растения кукурузы более чувствительны к ионам кадмия, чем свинца и более активно реагируют на регулятор роста Зеастимулин, чем на 6-БАП (в пределах исследованных, наиболее оптимально выбранных концентраций).

Показано, что одним из основных механизмов действия природных фитогормонов является модификация функционирования клеточного генома, в частности, изменение матричной доступности ДНК, активизация синтеза РНК и белков. Изучение влияния Ивина на процессы транскрипции и трансляции показало, что он повышает интенсивность транскрипции клеточного генома и активизирует синтез РНК и белков. Это было установлено с использованием радиоактивномеченных предшественников биосинтеза РНК – 14С - урацил - и белков, 14С - аминокислот, которые включались в синтез уже в первые 2 часа после обработки растений. Эти результаты четко кореллируют с результатами поступления и трансформации радиоактивномеченного Ивина в клетках растений.

Обобщая результаты проведенных исследований, можно представить основные аспекты физиологического действия Ивина таким образом: благодаря уникальным особенностям геометрической структуры и теплового движения молекул, препарат легко проходит через полупроницаемые мембраны растительных клеток, изменяя липидный состав мембран и повышая их проницаемость для низкомолекулярных соединений. Это способствует усилению транспортных процессов в мембранах и усилению поступления в клетки отдельных метаболитов и элементов питания. Одновременно усиливается работа Н+ -насоса и транспортные процессы, ускоряются процессы транскрипции и трансляции, активизируется синтез основных биомакромолекул – РНК и белков. Все эти реакции на молекулярном уровне являются основной интенсификации физиологических процессов – деления клеток, роста и развития растений.

Наряду с синтетическими препаратами нами созданы регуляторы роста растений природного происхождения, один из них Эмистим С – продукт метаболизма грибов-микромицетов, который является уникальной композицией природных ростовых веществ – фитогормонов ауксиновой и цитокининовой природы и их аналогов, аминокислот, жирных кислот с различной степенью ненасыщенности, олигосахаринов и микроэлементов. Синергизм действия компонентов препарата обеспечивает его высокую физиологическую активность – Эмистим С разрешен для применения при выращивании более 20 культур. Этот препарат является базовым при создании ряда композиционных препаратов.

За 22 года деятельности Института биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины и 10 лет функционирования ДП МНТЦ «Агробиотех» созданы регуляторы роста растений нового поколения Биолан, Биосил, Биомакс и Радостим, которые характеризуются высокой эффективностью и экологической безопасностью. Они активизируют основные процессы жизнедеятельности растений – мембранные процессы, деление клеток, ферментные системы, фотосинтез, процессы дыхания и питания, способствуют повышению биологической и хозяйственной эффективности растениеводства, снижению содержания нитратов, ионов тяжелых металлов и радионуклидов в продукции.
  1   2

Добавить документ в свой блог или на сайт


Похожие:

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconЛекция №4 тоб. Общая схема метаболизма микроорганизмов и механизмы его регуляции
Метаболизм микробной клетки определяется суммой всех реакций распада поступающих веществ (катаболизм) и синтеза структурных компонентов...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconКалендарно-тематическое планирование на 1 полугодие (экстернат)
Чем отличается живое от неживого. Химический состав клетки. Строение растительной клетки. Деление клетки

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве icon«Деление клетки. Митоз»
Цель: в результате овладения содержанием модуля вы должны получить знания о непрямом делении клетки – митозе, о подготовке клетки...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconИммунная регуляция и информация
В этой сети процессы управляются группами интерлейкинов, выделяемых целым рядом эффекторных клеток таких, как макрофаги, дендритные...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconУльтраструктурные основы патологии клетки
При изучении курса общей гистологии Вами получены необходимые сведения о нормальных ультраструктурах и их функциональной роли в жизнедеятельности...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconТеория Жакоба-Моно. Механизмы регуляции метаболизма микробной клетки на генном уровне
Индуцируемый ферменты синтезируются клеткой в ответ на воздействие определенного фактора внешней среды, в качестве которого выступает...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconРассмотрено на мо 1 ступени
Регуляторные навыки (выполнение заданий учителя, регуляция собственного поведения)

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconТест по общей биологии по теме «Органоиды клетки» Одномембранные...
...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconКурсовой проект по эмтп «Расчет состава мтп для выполнения механизированных...
...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconКонтрольная работа. Тема: Функции глии дисциплина: Физиология цнс
По-видимому, последнее связано с тем, что клетки нейроглии, в отличие от нейронов, сохраняют спо­собность к делению во взрослом состоянии....

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
vbibl.ru
Главная страница