Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве




Скачать 121.38 Kb.
НазваниеРегуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве
Дата публикации19.06.2013
Размер121.38 Kb.
ТипДокументы
www.lit-yaz.ru > Химия > Документы
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.

Установлено, что при внесении биостимуляторов роста в субстрат (почва) на 39% увеличивается развитие фосформобилизующих бактерий, в 2,6-раз азотфиксирующих, на 57% – бактерий, утилизирующих азот-минеральных соединений, в 3 раза – симбиотических грибов, уменьшается выработка микотоксинов фузариозными грибами. Следует отметить также, что благодаря аттрактивным свойствам некоторые биостимуляторы являются промоторами опыления медоносов, повышают содержание нектара в цветах, усиливают фертильность пыльцы.

Институтом «Агроресурсы» УААН согласно приказа МинАПК и УААН № 314/149 от 22.11.1995 г. «Об организации научно-производственной проверки и внедрения новых регуляторов роста растений на посевах сельскохозяйственных культур» в течение 1996 – 2009 гг. в 6-10 государственных областных опытных сельскохозяйственных станциях сегодня они являются центрами научного обеспечения агропромышленного производства по утвержденной программе проводится под руководством к.с.н. Анишина Л.А. научно-производственная проверка и отработка технологий применения регуляторов роста растений при выращивании основных сельскохозяйственных культур в различных почвенно-климатических зонах Украины.

При создании новых регуляторов роста растений (^ Ивина, Потейтина, Эмистима С, Агростимулина, Бетастимулиана, Зеастимулина, Трептолема, Люциса, Чаркора, Биолан, Биосил, Биомакс и Радостим) в изучении механизма физиологического действия, отдельных элементов технологий применения, токсиколого-экологических исследованиях приняли участие специалисты более 30 научно-исследовательских учреждений НАНУ, УААН, Минагрополитики, Минобразования и науки, Минздрава Украины, научных учреждений стран Содружества, Китая, Германии, США.

В приказе МинАПК и УААН № 330/113 от 18 октября 1999 года "О внедрении новых регуляторов роста растений" указано, что при незначительных затратах без изменения технологических процессов регуляторы роста повышают урожайность сельскохозяйственных культур на 15-20%,

при значительном улучшении качества выращенной продукции и являются одним из наиболее рентабельных резервов повышения урожая, особенно в условиях недостаточного обеспечения посевов удобрениями.

В настоящее время завершается создание технологий применения регуляторов роста растений в садоводстве, дендрологии, лесоводстве, в промышленном выращивании съедобных грибов, биотехнологии. Продолжается выполнение программы работ с институтом микробиологии и вирусологии НАНУ по созданию полифункциональных биорегуляторов с биозащитным эффектом для экологического земледелия в рамках международного проекта УНТЦ.

Приказом Национальной академии наук Украины и Министерства образования и науки Украины от 18.04.2000 №73/90 создан Межведомственный научно-технологический центр «Агробиотех» на базе Института биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины. Цель: усиления государственного регулирования в области создания высоких технологий производства экологически чистых регуляторов роста растений, ускорения внедрения их в агропромышленный комплекс Украины. Центр «Агробиотех» организовал лицензированное Министерством промполитики Украины биотехнологическое производство 13 регуляторов роста растений и выпускает широкий ассортимент препаративных форм, разрешенных к применению в сельскохозяйственном производстве и личных подсобных хозяйствах в Украине, Республике Беларусь, Казахстане, Российской Федерации, Германии, Китае.

Результаты испытаний технологий с использованием регуляторов роста растений с целью их регистрации в России, Казахстане, Китае, Германии позволяют сделать вывод о мировом уровне созданного научно-технического потенциала, который уже становится реальной статьей украинского экспорта.

^ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Trewavas A.J. Sensitivity in the regulating factor// Biochem Sci. -1983. -V.8. -№ 10. - P.354.

  2. Кудоярова Г.Р. Иммунохимические исследования гормональной системы растений: регуляция роста и ответы на внешние воздействия//Автореферат докт. диссерт. – С-П. 1996, 48 с.

  3. Полевой В.В. Фитогормоны. -Л.: Изд-во ЛГУ. -192. -24 с.

  4. Lopez-Carbonell M. et all. Diurnal fluctuation of endogenous IAA content in aralia leaves //Biol. plant. -1992.-V. 34.-№ 3-4.- P.223-227.

  5. Якушкина Н.И. Роль фитогормонов в адаптации растений к условиям среды// Гормональная регуляция ростовых процессов. – М.-1985.- С. 3-8

  6. Potter J.I. et. all. Light intensity, gibberellin and growth in brassica//S.Plant Physiol.-1993. -V.102. -P.1. - suppl: 9

  7. N.D. Romaniuk et all. Endogenous level of phytohormones under the plant growth regulators influence// International Simp. “Intracellular signalling in plant and animal systems”. Kiev, Ukraine. -2001. -P. 91.

  8. Пономаренко С.П. «Регуляторы роста растений на основе N-оксидов производных пиридина». -К.: Техника, 1999. - 260 с.

  9. Терек К.В. Реакції рослин кукурудзи на дію гіпо-і гіпертермії, іонів важких металів та регуляторів росту// Автореферат кан. дис. Київ. -2001.

  10. Пономаренко С.П. Іутинська Г.О. Регулятори росту рослин в агробіоценозах і нові рішення // Фізіологія рослин в Україні на межі тисячоліть. Збірник наукових праць. ІФРГ НАН України. – Київ, 2001. С. 379-382.

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

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 iconМетодичка №47 : Фармация Физиология «жкт»
Такие пришедшие в негодность молекулы белков удаляются из клетки. Взамен синтезируются новые полноценные молекулы, в результате состав...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconСтроение клетки
Цель урока: продолжить изучение строения клетки и основных процессов, происходящих в ней

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconПсихологическое воздействие на потребителя: уровни, методы, механизмы и инструменты
«Механизмы и инструменты психологического воздействия на потребителей в рекламных кампаниях Media Markt» (2012)

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconУрок русского языка во 2 классе Тема урока: «Игры со словами и в слова»
Запишем ответы в клетки под рисунком, а букву с точкой внесём в клетки секретного сообщения. Вы эти буквы напечатайте в свои рабочие...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconРазработка урока биологии в 10 классе на тему «Жизненный цикл клетки. Митоз. Амитоз»
Амитоз». Этот урок является первым уроком по теме «Размножение и индивидуальное развитие организмов». Материал этого урока требует...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconИ. Г. Серова онтология социальных фактов и специфика социальной когниции
Дж. Фодора и Н. Хомского утвердилось мнение о том, что работу каждого модуля, в котором предположительно действует сравнительно небольшое...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconДоценко Е. Л. Психология манипуляции: феномены, механизмы и защита
Психология манипуляции: феномены, механизмы и защита.— М.: ЧеРо, Издательство мгу, 1997. — 344 с. Isbn 5-88711-038-4

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconТематический список электронных изданий мук «Славянская мцб» Естественные науки в целом
Введение в нанотехнологии [Электронный ресурс] : учебный мультемидийный компьютерны курс. Электрон изд. М. Академия менеджмента инноваций...

Регуляторные механизмы клетки – нанотехнологии в растениеводстве iconПрограмма коррекционной работы Раздел III. Организационный Механизмы...
Механизмы реализации основной образовательной программы начального общего образования



Образовательный материал



При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
www.lit-yaz.ru
главная страница