Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 2 (страница 72)

15.14. Какие выводы можно сделать из опытов, показанных на рис. 15.17? В контроле, где агар не обработан, изгиба нет. Если вместо абсцизовой кислоты берут ИУК, изгиб тоже незначителен.

Рис. 15.17. Влияние абсцизовой кислоты на геотропическую реакцию декапитированных корней. (По данным Pilet, 1975.)

15.2.3. Механизм действия ауксинов

Мы более или менее понимаем, каким образом ауксины способствуют росту клеток. Для растяжения клетки нужно, чтобы жесткая целлюлозная основа клеточной стенки была ослаблена. Увеличение размеров клетки связано с набуханием ее за счет осмотического поступления воды и одновременным отложением нового материала клеточной стенки. Направление растяжения клетки, вероятно, зависит от ориентации уже существующих микрофибрилл целлюлозы. "Разрыхление" клеточной стенки индуцируется повышенной кислотностью и действием ауксинов.

В 1973 г. четыре группы исследователей одновременно показали, что ауксины стимулируют секрецию ионов водорода (протонов). Это приводит к понижению внеклеточного рН, а тем самым и к разрыхлению клеточной стенки; возможно, в этом процессе участвует фермент с низким оптимумом рН. Кроме того, нужно, чтобы внутри клетки поддерживался высокий осмотический потенциал и было достаточно воды, которая входила бы в клетку и создавала тургорное давление.

15.2.4. Другие эффекты ауксинов

Помимо стимуляции растяжения клеток, а значит, и роста побегов, ауксины выполняют и ряд других очень важных для растения функций; эти функции перечислены в табл. 15.4. С ролью ауксинов в дифференцировке, доминировании верхушки, опадении листьев и созревании плодов мы познакомимся в соответствующих разделах.

15.2.5. Практическое применение ауксинов

Открытие ИУК привело к тому, что химики синтезировали большой набор активных соединений с очень сходной структурой. Синтетические ауксины оказались в некоторых отношениях лучше природных. Их дешевле получать, чем ИУК, и они часто оказываются более активными, так как у растений обычно нет ферментов, способных их расщеплять. В табл. 15.3 приведено несколько примеров таких веществ с указанием их структуры и способов применения. Часто активность ауксинов возрастает при введении в молекулу хлора. На рис. 15.18 показано, как влияет ауксин на завязывание плодов у обработанных им томатов.

Рис. 15.18. После опрыскивания томата бетанафтоксиуксусной кислотой были получены три большие кисти плодов. Небольшая гроздь в нижнем левом углу снимка не была опрыскана, и на ней сформировался только один плод нормальной величины

Таблица 15.3. Практическое применение ауксинов

1) Вызывают некоординированный рост и чрезмерно интенсивное дыхание растений. 2,4,5-Т вышла из употребления из-за того, что содержит примесь диоксина — одного из самых токсичных веществ, известных человеку. Диоксин вызывает, например, рак, аномалии внутриутробного развития плода и тяжелые кожные заболевания.

15.2.6. Гиббереллины

Открытие гиббереллинов

В 20-х годах группа японских ученых, работавших в Токийском университете, исследовала широко распространенное во всем мире и весьма вредоносное заболевание проростков риса, которое вызывал гриб Gibberella (сейчас его относят к роду Fusarium). Зараженные сеянцы вытягивались в длину, обесцвечивались и в конце концов погибали или давали очень плохой урожай. В 1926 г. был получен экстракт гриба, вызывавшего все эти симптомы у растений риса. В 1935 г. было получено в кристаллическом виде первое активное вещество, а к 1938 г. — еще два. Эти вещества были названы гиббереллинами по названию гриба. Языковые барьеры, а затем и вторая мировая война задержали развитие работ на Западе, но сразу же после окончания войны началось соревнование между английскими и американскими учеными, старавшимися выделить эти вещества. В 1954 г. английские исследователи выделили одно из активных веществ, которое они назвали гибберелловой кислотой. Оно оказалось третьим и наиболее активным гиббереллином (ГК₃) из числа тех, что были выделены в Японии. Вскоре были выделены гиббереллины из ряда высших растений, однако химическая структура ГК₃ была окончательно установлена только в 1959 г. (рис. 15.19). В настоящее время известно свыше 50 природных гиббереллинов, и все они лишь незначительно оличаются от ГК₃.

Рис. 15.19. Структура гиббанового скелета и гибберелловой кислоты (ГК3)

Строение гиббереллинов

Все гиббереллины относятся к терпенам, очень сложной группе растительных веществ, близкой к липидам; все они — слабые кислоты и все содержат "гиббановый" скелет (рис. 15.19).

Синтез гиббереллинов и распределение их в растении

Больше всего гиббереллинов в молодых, растущих органах, и синтезируются они главным образом в молодых апикальных листьях (возможно, в хлоропластах), почках, семенах и кончиках корней. Отсюда они мигрируют вверх и вниз по растению — передвижение из листьев носит неполярный характер. Перемещаются они по флоэме и ксилеме.

Действие гиббереллинов

Подобно ауксинам, гиббереллины вызывают главным образом удлинение стебля, в основном путем растяжения клеток. С их помощью можно восстановить нормальный рост у карликовых сортов гороха и кукурузы или превратить карликовую фасоль во вьющуюся лиану (рис. 15.20), а также стимулировать рост побегов у обычных растений. Взаимодействие гиббереллинов с ауксинами будет рассмотрено в разд. 15.3.

Рис. 15.20. Влияние гибберелловой кислоты (ГК) на рост карликовой фасоли сорта Метеор. Крайнее растение слева не обрабатывалось ГК и имеет типичный карликовый габитус. Все остальные растения обрабатывали ГК; для каждого растения указана доза (в микрограммах). Увеличение дозы вплоть до 5 мкг приводит к усилению роста стебля. На этом основан биотест на гиббереллины с использованием карликовой фасоли

Один из классических эффектов гиббереллинов, который очень интенсивно исследовали, пытаясь понять его механизм, — это выход из покоя семян некоторых растений, в особенности злаков. Прорастание семян вызывают, замачивая их в воде. После того как зародыш впитывает влагу, он начинает выделять гиббереллин, который диффундирует в алейроновый слой и стимулирует образование ряда ферментов, в том числе α-амилазы (рис. 15.21). Ферменты начинают расщеплять пищевые запасы эндосперма, и продукты их переваривания диффундируют в зародыш, где используются для его роста.

Рис. 15.21. Роль гиббереллина в мобилизации резервных питательных веществ в зерне ячменя при выходе из состояния покоя

15.15. а) Что служит субстратом α-амилазы? б) Что является продуктом реакции, которую она катализирует? в) Какой другой фермент нужен для полного расщепления субстрата α-амилазы? г) Почему α-амилаза столь важна для прорастания семян хлебных злаков?

15.16. Объясните роль белков алейронового слоя, рассмотрев рис. 15.21.

Опыт 15.2. Проверка двух гипотез: а) что гиббереллин стимулирует расщепление крахмала в прорастающих зернах ячменя и б) что гиббереллин образуется в зародыше

Амилазу в семенах ячменя можно обнаружить, поместив разрезанное семя на поверхность агара, содержащего крахмал. Если смочить поверхность агара, амилаза диффундирует из семени и начинает катализировать расщепление крахмала. Если добавить йод, оставшийся крахмал окрасится в сине-черный цвет, а вокруг семени останется прозрачная зона, где крахмал переварен. По размеру этой круглой зоны можно приближенно оценить количество амилазы в семени. При этом лучше вести работу в стерильных условиях, так как амилазу могут синтезировать также различные бактерии и грибы.

При надлежащей постановке эксперимента можно проверить и другие гипотезы (см., например, Сорраge J., Hill Т. А. (1973), J. Biol. Ed., 7, 11-18).

Белая кафельная плитка

Скальпель

Пинцет

Стакан на 50 мл

Наклейки или карандаш по стеклу

Раствор йода с йодистым калием

Стерильная дистиллированная вода в стерильных колбах (х 3)

5%-ный раствор гипохлорита натрия или продажный препарат для стерилизации, например раствор Милтона или 70%-ный спирт

две чашки с агаром и крахмалом (стерильные): 1%-ный агар с 0,5% крахмала заливают в стерильные чашки Петри слоем толщиной около 0,25 см

две чашки с агаром, содержащим крахмал и гиббереллин: в агар перед автоклавированием добавляют гиббереллин (ГК3)-1 мл 0,1%-ного раствора ГК₃ на 100 мл агара (конечная концентрация гиббереллина 10 ч. на млн.) (ГК₃ плохо растворима в воде и лучше всего растворяется в этаноле; часть ГК₃ разрушается при автоклавировании, но семена чувствительны к гиббереллину даже в концентрации 10^-5 ч. на млн.)

вылущенные семена ячменя: для удаления шелухи семена замачивают в 50%-ном (по объему) водном растворе серной кислоты на 3-4 часа, затем тщательно промывают (до десяти раз) в дистиллированной воде. Большая часть шелухи отделяется при энергичном встряхивании зерен в колбе Эрленмейера; семена тотчас же используют в опыте, так как после набухания они начинают прорастать. Если это невозможно, семена следует разделить на "зародышевую" и "незародышевую" половинки и положить в холодильник; в сухих условиях семена можно хранить не более 2-3 дней. У пшеницы зерна голые, и удалять шелуху не нужно; можно взять их вместо ячменя.

1. Возьмите две чашки с крахмальным агаром и две чашки с агаром, содержащим крахмал и гиббереллин, и пометьте их соответствено + Г и — Г. Чашки должны быть простерилизованы. Одну чашку из каждой пары подпишите "зародышевая", а другую — "незародышевая".