Гіберелова кислота: значення та використання

02.07.2018 — 16:57

        Фітогормони (грец. Phyton - рослина  hormao - збуджую, надаю руху) — гормони, що здійснюють координацію взаємодії клітин, тканин та органів, регуляцію функцій та забезпечення цілісності організму, запуск фізіологічних та морфологічних програм у рослин. Їм. належить важлива роль у відповіді рослини на різні зовнішні впливи. Вони обов’язково додаються до поживних середовищ при культивуванні рослинних клітин і тканин in vitro. Специфічність дії визначається їхнім співвідношенням. До.них належать ауксини, цитокініни, гібереліни, абсцизова кислота, етилен, брасиностероїди, жасмонова та саліцилова кислоти, а також поліпептид системін. Фітогормони, як і гормони тварин, виявляють регуляторні функції у дуже низьких концентраціях (10–6–10–12 М), але не беруть безпосередньої участі у біохімічних перетвореннях. Синтезуються в одних тканинах рослинного організму і транспортуються в інші, що призводить до функціональних змін у цих органах і тканинах. Однак, на відміну від тварин, у рослин гормони можуть діяти і безпосередньо в тому місці, де вони утворюються.

        Гібереліни (від назви патогенного гриба-аскоміцета Gibberella fujikuroi, в якому вони були вперше виявлені) – були відкриті у 1926 роціяпонським вченим Е. куросавою при вивчення ураження рису грибом Gbberella. Хворі рослини сильно витягувались в довжину, вилягали і гинули. Екстракт гриба, а також виділеня з нього у кристалічному вигляді речовина викликали аналогічну симптоматику захворювання. В 1954 році англійські вчені виділили одну із активних речовин, яку назвали гібереловою кислотою. У вищих рослин багатими на гібереліни швидкоростучі органи – молоді апікальні листки, бруньки, незріле насіння, плоди. Рухаються вони по флоемі, ксилемі уверх-вниз, не виявляючи полярності транспорту. Велике значення для утворення гіберелінів у рослини має світло (воно сприяє їх біосинтезу в хлоропластах листків).

        З хімічної точки зору це тетрациклічні дитерпенові кислоти, що за кількістю вуглецевих атомів розподіляються на С19- та С20-гібереліни, які синтезуються з ацетил-СоА через мевалонову кислоту та геранілгераніол. Найбільш відомий гіберелін — гіберелова кислота (ГК або ГА3). Синтезуються гібереліни в молодих тканинах рослин, які інтенсивно ростуть (незріле насіння, плоди). У меншій кількості гібереліни утворюються у листках, які ще не закінчили ріст. Гібереліни приводять до видовження стебла рослин, збільшення кількості міжвузля, індукції цвітіння, регулюють стать, стимулюють процеси проростання насіння. Однак, на відміну від ауксинів, вони не впливають (або викликають слабкий ефект) на ріст ізольованих міжвузлів або колеоптилів.

 

  Виробництво

        Для комерційних цілей отримують з культури грибів шляхом мікробіологічного синтезу.

        Найбільш поширений і переважно використовується гіберелін А3 так само відомий як гіберелова кислота. Це пояснюється тим, що основний промисловий штам гриба Fusarium - moniliforme синтезує в основному саме цей гіберелін, який є головним компонентом препаратів, що надходять у продаж.

         У багатьох видів цього роду є тільки конідіальне спороношення і відсутня статева стадія. Конідіальне спороношення у фузарій надзвичайно різноманітно по морфології і способу утворення конідій. Гриби цього роду мають два типи конідій - макро- та мікроконідії.

       Макроконідії утворюються в повітряному міцелії на простих або розгалужених конідій, або являють собою скупчення маси конідій у вигляді спородохій, або утворюють піоноти.. Верхня клітина макроконідій має характерну форму: вона подовжена або загострена, може бути тупа або клювовидного і іншої форми. У масі макроконідії світлого кольору (білі , помаранчеві, сині, синьо-зелені).

        Мікроконідії утворюються зазвичай в повітряному міцелії на простих або складних конідіях, в ланцюжках або зібрані в головки, а також часто у вигляді скупчень між гіфами міцелію. Конідії одноклітинні, рідше з одною і ще рідше з 2-3 перегородками, зазвичай овальні, яйцеподібні, еліпсоподібні, рідше кулясті, грушоподібні.

        У деяких випадках утворюються склероції - тісне скупчення гіф білуватого, жовтуватого, коричневого або синього кольору. Це спочиваюча стадія. Розвиваються вони найчастіше в тканинах субстрату або в грунті і служать у цих грибів, як і хламідоспори для перезимівлі та перенесення несприятливих умов, сприяючи тим самим збереженню виду.

        Сукупність численних даних по метаболізму гіберелінів дозволяє побудувати загальну схему біосинтезу С19-гіберелінів. Ранні етапи синтезу гіберелінів, включаючи утворення і подальше перетворення мевалонової кислоти, є загальними для терпенів і можуть вважатися твердо встановленими. Загальним тетрациклічним попередником всіх гіберелінів є каурен. Подальший метаболізм здійснюється через стадії послідовних окислювальних реакцій: каурен - кауренол - кауреналь - кауренова кислота.

 

 Культивування грибів р. Fusarium

       Вище було написано, що зацікавленість до гіберелінів з'явилась після встановлення їх фітогормональної природи, тоді ж і згадали про можливість використання р. Fusarium, як продуцента гіберелінів.

       В наш час фузарії культивують поверхневим або зануреним способом на рідкому середовищі Чапека або Ролена-Тома. Максимум утворення біомаси гриба встановлюється паралельно максимуму накопичення гіберелінів.

  Метод поверхневого культивування

        Як поживне середовище використовують сусло-агар на якому фузарії ростуть найшвидше, також використовують картопляно-глюкозний агар та середовище Ролена-Тома. Гарні результати дає використання ятрофи (р. Jatropha) як субстрата. Використовуючи макуху ятрофи дослідники отримали вихід 105 мг/г Аза 4 дня.

 

  Метод зануреного культивування

        Цей метод використовують для промислового культивування фузарій. Культивування проводять в горизонтальних роторних біореакторах за оптимальних умов.

        F. moniliforme культуру засівають у 250 мл середовища Чапека (що складається з (г / л) сахарози, 30, NaNO3, 3; K2HPO4, 1; MgSO4.7H2O, 0,5; KCl, 0,5 і FeSO4, 0,01, рН 6,0) і інкубували при 30 ° С (в деяких джерелах при 26 ° С) протягом 10 днів при 150 оборотів в хвилину GA3 вистоюється в надосадову рідину.

         Експотенціальний ріст культури починається з 2 дня, 4 дні триває лог-фаза. Виробництво GA3 починається на 6-й день та досягає піку на 8-й день при цьому концентрація GA3 близько 5,8 г / л.

        На біосинтез GA3 впливають такі чинники: температура, аерація, склад поживного середовища, рН та інше.

        Встановлено, що з розвитком культури знижується рН середовища приблизно до 2,2-3,5. При зануреному культивуванні в середовищі Чапека максимальний вихід GA3 досягається при рН 7.0. по іншим даним оптимум рН 5.0.

        Температура один з головних чинників який треба враховувати при біосинтезі GA3. Ряд дослідів показує, що оптимальна температура при якій був максимальний вихід (5,8 г/л ) GA3 30?

        Зміна концентрації О2 також впливає на біосинтез гіберелової кислоти. Провели наступний дослід: помістили культуру F. moniliforme в інкубатор без доступу кисня. У закритому інкубаторі, концентрація О2 знизилася з початкових 20,9% до 3% після 3днів, за рахунок мікробного метаболізму, і залишалася постійною на рівні 3% наступні 7 днів, незважаючи на те, що вентиляційні отвори на верхній частині інкубатора були наполовину відкриті.

        Через 10 днів вміст GA3 становив 1,4 мг/г (маса GA3/маса сухої речовини) , наступні 9 днів інкубатор тримали з відкритою кришкою. На 19 день концентрація GA3 зросла до 8,2 мг/г.

        В іншому досліді повітряний клапан інкубатора весь час був повністю відкритим, в результаті через 18 днів вихід GA3 склав 19,3 мг/г.

        Ці дані показують, що достатня вентиляція інкубатора дуже важлива, особливо в початковий період росту, коли відбувається швидке поглинання О2.

        Для визначення впливу джерел карбону в сторону більш високих врожаїв GA3 сахароза в поживному середовищі була замінена на інші вуглеводи в концентрації 20 г/л.

        Найкращий результат 15г/л GA3 отриманий за використання глюкози оптимальних умовах. Інші вуглеводи давали менший вихід, а метанол та оцтова кислота взагалі пригнічували ріст культури.

        Отже, гриби роду Fusarium одне з основних джерел отримання гіберелінів - життєво необхідних фітогормонів рослин.

 

Використання

        Гіберелова кислота - регулює ріст і розвиток рослин. Найбільш виражена дія – це здатність стимулювати ріст, видовження стебла за рахунок розтягнення клітин, а не їх поділу. За її допомогою відновлюють нормальний ріст карликові сортм гороху, кукурудзи. Рослин, які містять достатню її кількість є швидкоростучі органи – молоді листки, бруньки, незріле насіння, плоди. Велике значення для утворення гіберелінів у рослини має світло (воно сприяє їх біосинтезу в хлоропластах листків).

        Класичний ефект дії гіберелової кислоти пов'язаний з виходом насіння злакових із стану спокою. Насіння поміщають в воду і після того, як воно її поглине, зародок починає синтезувати гібереліни, які стимулюють утворення гідролітичних ферментів. Ферменти розщеплюють запасний крохмаль ендосперму до простих цукрів, які використовуються для росту зародка. Важливе значення гіберелінів у процесі яровизації та цвітіння. Яровизація – реакція рослин на вплив низьких позитивних температур (+2 - +10˚С)у певний період онтогенезу. Центром сприйняття яровизаційного впливу в рослині може бути точка росту, або будь-яка зона, в якій відбувається поділ клітин. Яровизація проявляється у прискоренні початку періоду плодоношення (цвітіння). У ході яровизації підвищується рівень гіберелінів, що дозволяє холодову обробку замінити обробкою неярозованих рослин гіберелінами. Екзогенно введений гіберелін у багатьох дворічних рослин виключає потребу в яровизації і викликає їх цвітіння. Також о цього квітки рослин обробляють її розчином, що практично використовується у виноградарстві (отримують без насіннєві ягоди великого розміру).

        Екзогенно введений гіберелін у багатьох дворічних рослин виключає потребу в яровизації і викликає їх цвітіння. Гібереліни викликають партенокарпію – процес, при якому плоди розвиваються без запліднення. Для цього квітки рослин обробляють розчином гібереліну, що практично використовується у виноградарстві (отримують без насіннєві ягоди великого розміру). Для оптимальної регуляції росту необхідні не тільки стимулятори, але і інгібітори росту.

        В наш час гібереліни застосовуються в рослинництві для підвищення виходу волокна конопель та льону, для збільшення розмірів ягід у безнасінних сортів винограду, для підвищення врожайності трав, стимуляції проростання насіння. Тому є необхідність пошуку оптимальних, більш дешевих і ефективних способів їх отримання в промислових масштабах.

        Гібереліни є активаторами так званих «початкових ефектів» у рослині – проростання зерна, вихід у трубку, утворення зерен, впливають на розтягнення клітин та проникність клітинної стінки, сприяють росту та розвитку. До того ж вони сильніше стимулюють ріст рослини, ніж ауксини, що при нестачі даних фітогормонів може призвести до утворення карликових форм, а при надлишку – до переростання рослин.

        Підвищенню рівня гіберелінів у рослині сприяють такі фактори: проходження яровизації – обов’язкової умови для переходу рослин до генеративного розвитку, довгий світловий день, такі поживні речовини як азот та цинк, а також достатньо теплі денні та нічні температури. Перешкоджають дії гіберелінів значні перепади погодних умов (холод та спека), короткий світловий день, а також такий фітогормон як етилен. Оскільки гібереліни сприяють значному пришвидшенню утворення зеленої маси рослин, то їх високий рівень повинен забезпечуватися відповідним надходженням поживних речовин. Найвищий рівень гіберелінів спостерігається на момент проростання та під час виходу у трубку.

        Фізіологічна дія гіберелінів Різнопланові експерименти з вивчення фізіологічної дії гіберелінів дозволяють зробити висновок, що гібереліни – компоненти систем, які регулюють ріст і розвиток рослин Найбільш виражена дія гіберелінів - їх здатність стимулювати ріст, видовження стебла за рахунок розтягування клітин ( а не їх поділу), що вказує на подібність із ефектом дії ауксинів. За допомогою гіберелінів відновлюють нормальний ріст карликових сортів гороху, кукурудзи або перетворюють карликову форму квасолі у витку ліану. На практиці гіберелінами обробляють коноплю та льон для підвищення виходу волокна.

        Встановлено, що вміст гіберелоподібних речовин в рослинах огірка корелює із кількістю чоловічих квіток. Багаточисельними роботами показана маскулінізація (зсування статі у чоловічий бік) рослин родини гарбузових гід впливом гіберелінів.

        Отже, під впливом гіберелової кислоти можливо:

  • підвищити врожай зеленої маси рослин за рахунок посиленого росту стебла;
  • переривати «спокій» бульб картоплі, насіння деяких видів рослин;
  • забезпечити синхронне проростання насіння;
  • підвищувати продуктивність і якісні показники культур.

Підпишіться на розсилку і будьте в курсі останніх новин!