Регуляция роста и развития у растений

Каким образом одна оплодотворенная яйцеклетка может стать источником большого количества тканей и органов, которые образуют целостный организм? Учёными было доказано, что нормальное развитие возможно только при взаимодействия внешних и внутренних факторов. К внешним у растений относятся: свет, температура, длина светового дня, влажность и т. д. А к внутренним? Основные внутренние факторы, регулирующие рост и развитие растений имеют химическую природу и к ним относятся гормоны. Именно растительные гормоны играют основную роль в регуляции роста. Термин «гормон» был введён физиологами. По сути это органические вещества, образующиеся в одной ткани, а затем транспортирующиеся в другие, где вызывают определенный физиологический эффект. Гормоны активны в очень небольших количествах. В этом их сходство с гормонами в организме животного и человека. Один физиолог вычислил массу гормона в отношении массы побега и выяснил, что это можно сопоставить как иголку в 20-тонном стоге сена.

Слово «гормон» произошло от греческого слова «hormaein», что означает стимулировать. Но на сегодняшний день выяснено, что многие гормоны оказывают тормозящее действие. Поэтому эти биологически активные вещества рассматривают не как стимуляторы, а как химические регуляторы. Толчок к изучению растительных гормонов дало открытие ауксина.

Ауксин

Один из первых экспериментов по изучению регуляций роста был проведён ещё Чарльзом Дарвином. Согласно его исследованиям было установлено, что от верхней части к нижней передаётся некий стимул, который заставляет стебель сгибаться. В 1926 г. голландскому физиологу Ф. В. Венту удалось выделить этот «стимул» из верхушек побегов. Позже была доказана роль ауксина в регуляции растяжения клеток верхушечных почек, но в то же время он тормозит рост боковых почек.

Ауксин проявляет различное влияние на растение в зависимости от времени воздействия, вида растения, типа тканей. В высоких концентрациях ауксин токсичен.

  1. Ауксин увеличивает пластичность клеточной оболочки. Когда она смягчается, клетка увеличивается в размерах за счет тургорного давления. По мере его уменьшения, клетка поглощает воды больше и продолжает разрастаться до тех пор, пока не встретит достаточного сопротивления со сторонны оболочки.
  2. Ауксин влияет на дифференциацию проводящей ткани в побеге, который растёт. Если в стебле перерезать или удалить части сосудистых пучков, то из клеток сердцевины образуются новые проводящие ткани, которые устанавливают связь с пучками неповрежденных участков. Если удалить листья и почки выше места среза, то формирование новых клеток задержится и, добавив ауксин к черешку листа, который остался, над местом среза, формирование сосудистой ткани восстанавливается. Итак, ауксин играет роль в присоединении сосудистых тяжей, листьев, которые развиваются, к сосудистым пучкам стебля.
  3. У деревьев ауксин способствует росту камбия. Когда весной начинают делиться клетки меристематических зон побега, то ауксин, поступая с верхушки побега, стимулирует деление клеток камбия и образование вторичной флоэмы и вторичной ксилемы.
  4. Практически было выяснено, что ауксин способен стимулировать образование придаточных корней у черенков. Это позволяет размножать растения вегетативным путём. Но необходимо знать, что чрезмерное количество ауксина приводит к торможению дальнейшего роста растения.
  5. Ауксин ускоряет рост плодов. Особенно интересно, что обрабатывая ауксином женские части, у растений начинают развиваться плоды без оплодотворения, например, плоды бессемянных томатов, огурцов, баклажанов. Кроме этого ауксин содержится в образованных семенах. Например, у садовой клубники семена находятся снаружи плода и, если удалить семечки из цветоложа во время его развития, то нормальный плод не сформируется. Или, если удалить небольшую часть семян, то цветоложе будет развиваться только там, где семена остались. При искусственной обработке ауксином, рост плода будет продолжаться дальше.
  6. Ауксин действует на опадение листьев и других частей растения. Если необходимо задержать опадение листьев, цветков, плодов, то растение обрабатывают ауксином искусственно. Это имеет большое значение в сельском хозяйстве. На плантациях цитрусовых это используется чаще всего, что позволяет получать большие урожаи.
  7. Синтетические ауксины широко используются для борьбы с сорняками.

Открытие ауксина стимулировало поиск других типов химических веществ, регулирующих рост растений.

Цитокинин

Цитокинины были открыты благодаря их способности ускорять деление клеток и формирование почек. Пожелтение листьев связано с потерей хлорофилла. Это явление можно предупредить обработкой цитокинином. Например, если на срезанные листья нанести пятнами цитокинины, то эти пятна останутся зелеными, а другие части пожелтеют. Учеными было установлено, что старение частей растений происходит вследствие постепенного «отключения» отдельных генов с последующей потерей способности к синтезу мРНК и белка. Итак, цитокинины препятствуют исключению этих генов и способствуют продлению синтеза гормонов и образованию соединений, как например, хлорофилл. Но в каких частях растения образуется цитокинин неизвестно: в корне, или в районе растяжениz клеток, или ниже верхушки побега. Зато установлено, что в плодах, которые развиваются, его очень много.

Этилен

Биологическая история этилена началась с XIX в., когда городские улицы освещались лампами, в которых горел газ. Немецкие учёные заметили, что утечка газа из светильников вызывает опадение листьев у растений, произрастающих вдоль теневой стороны городских улиц. Позже это было замечено во многих городах. Однако лишь в 1901 г. установили, что компонентом светильного газа является этилен. Ученые заметили, что если обработать таким газом проростки, они начинают изменять направление роста. Позднее было доказано, что этилен проявляет большое влияние почти на все процессы роста, развития и старения растений.

  1. Этилен важен для созревания плодов. По мере постепенного созревания в них происходят постоянные изменения: в недозрелых плодах разрушается хлорофилл, а проявляются в действии другие пигменты, изменяющие окраску. Мясистая часть становится мягкой. Таким образом, этилен, как естественный продукт, выделяется многими растительными тканями, плодами, цветами, листьями, безлистными стеблями и корнями растений, а также некоторыми видами грибов. На сегодняшний день этиленом обрабатывают томаты, которые собирают зелеными, для ускорения их созревания. Этилен также используется для ускорения созревания орехов и винограда.
  2. Этилен способствует осыпанию листьев, цветков и плодов. В листьях этилен активизирует ферменты, вызывающие разрушение клеточных оболочек, которые связаны с опадением. Поэтому этилен используется на практике для более лёгкого отделения плодов вишни, ежевики, черники, винограда, позволяя провести механический сбор урожая. Он также используется для прореживания садов.
  3. Этилен используется для изменения пола цветков у однодомных растений. Им обрабатывают мужские цветки, чтобы увеличить количество женских, следовательно увеличить урожай.

Таким образом, этилен - газообразный гормон, который образуется в результате неполного сгорания углеводородов. Он относится к естественным регуляторам роста и вызывает ряд физиологических реакций.

Гиббереллин

Такие гормоны как гиббереллины были выделены в начале ХХ века и долгое время не изучались. Впервые они были выделены из паразитических грибов, которые нарушают нормальный рост сеянцев риса. Сегодня стало известно, что они содержатся во всех частях растений в разных концентрациях.

  1. Наибольшая концентрация их в недозревших семенах. До прорастания семя находится в состоянии покоя, который может прерываться холодом или светом. Гиббереллины могут заменить факторы, способствующие росту зародыша и появлению проростков.
  2. Большинство растений в первый год жизни образуют лишь розетку листьев. А цветы и плоды появляются уже на второй год. А, обрабатывая гиббереллином, получают плоды уже в первый год.
  3. Гиббереллины стимулируют прорастание пыльцы и рост пыльцевых трубок у многих растений. Этим они могут вызвать образование партенокарпических плодов у яблони, смородины, огурцов, баклажанов. Не избежали этого цитрусовые, персиковые деревья и орехоплодные. Гиббереллины стимулируют прорастание семян злаков.

Абсцизовая кислота - гормон, который был найден в спящих почках и плодах. Было выяснено, что этот гормон тормозит рост. Во многих случаях, абсцизовая кислота вызывает действие, противоположное всем остальным, стимулирующим рост, гормонам.

Таким образом, гормоны представляют собой важные химические регуляторы роста, которые образуются в одних тканях организма, а затем транспортируются в другие, где проявляется их физиологическое действие. Они активны в очень малых количествах.

Действие растительных гормонов зависит от свойств тканей и окружающей их химической среды. Успехи в исследованиях гормонов сделали возможным вмешательство в генетику растений.