«Исследование воздействия синтетических регуляторов роста на одноклеточные водоросли»

Детальное изучение этой проблемы открывает перспективу создания технологий для использования синтетических ростовых веществ при решении проблемы продовольственной безопасности и стабильности (Бобрик,1993).

Конечно, оправданно то, что наибольший интерес вызывают высшие растения, используемые при решении продовольственных задач. Но хотелось бы отметить, что некоторые представители низших растений, например, различные виды водорослей, играют немаловажную роль как для человека в целом, так и для сбалансированности процессов окружающей среды, также водоросли являются недорогим и очень удобным объектом для изучения механизмов действия синтетических ростовых веществ.

Накопление теоретического и практического материала по применению синтетических регуляторов роста, дополняет, совершенствует существующие технологии и открывает перспективу создания новых, современных технологий выращивания растительных культур, которые представляют собой энергосберегающий элемент биотехнологий (Муромцев, 1987).

Все вышеизложенное обуславливает актуальность исследований, цель которых заключалась в изучении влияния синтетических регуляторов роста на одноклеточные зеленые водоросли Chlorella vulgaris и Chlorococcum minutissima.

В соответствии с целью были поставлены задачи:

1. Изучить влияние регуляторов роста на морфологические показатели водорослей.

2. Выявить различия в степени воздействия регуляторов роста.

3. Разработать методику проведения факультативного занятия.

Растение, как и любой другой организм, представляет собой целостную систему, состоящую из различных компонентов. В любой системе есть свои механизмы регуляции, так и в растениях. Они могут быть различны как по природе, так и по механизму действия (Кулаева, 1995).

Регуляцию можно рассматривать как систему, состоящую из различных компонентов. Такими компонентами являются: генетическая регуляция, трофическая регуляция, энергетическая регуляция и гормональная регуляция. Гормональная система - важнейший фактор регуляции и управления у растений.

Фитогормоны - химические, низкомолекулярные органические вещества с высокой физиологической активностью, присутствующие в тканях в очень низких концентрациях (пиктограммы и нанограммы на 1 г сырой массы), но, которые даже в чрезвычайно малых количествах оказывают сильное влияние на обмен веществ и рост клеток. Гормоны растений образуются главным образом в активно растущих тканях, особенно в меристематических тканях точек роста на верхушках стеблей и корней. Подобно гормонам животных, фитогормоны обычно оказывают свое действие в частях растений, несколько удаленных от места их образования. Они оказывают различного рода воздействия на обмен веществ и деление клеток:

– регулируют рост клеток в длину в растущей части растений;

– вызывают образование новых корней, особенно придаточных;

– вызывают развитие цветков и развитие плодов из частей цветка;

– стимулируют клеточные деления в камбии;

– подавляют развитие пазушных почек;

– задерживают образование отделительного слоя, предотвращая тем самым опадание листьев или плодов.

К фитогормонам, активирующим рост, относят ауксины, гиббереллины и цитокинины, а к ингибиторам роста, абсцизовую кислоту и этилен. Активные формы фитогормонов действуют только на компетентные к этим фитогормонам клетки, то есть на клетки, в мембранах и цитоплазме которых присутствуют рецепторы специфические для этих фитогормонов. Взаимодействие фитогормона со своим рецептором запускает цепь реакций преобразования гормонального сигнала в функциональные ответы клетки. Эти ответы могут быть разными в зависимости от типа рецепторов, концентрации фитогормона и соотношения этой концентрации с уровнем других фитогормонов, а также от взаимосвязи рецептора с теми или другими молекулярными комплексами, участвующими в трансдукции гормонального сигнала.

Характерной особенностью фитогормонов, отличающей их от других физиологически активных веществ (витаминов, микроэлементов), является то, что они включают физиологические и морфогенетические программы (Полевой, 1992).

Растительные гормоны, во-первых, усиливают обменные процессы на уровне клетки растений, но не заменяют органические минеральные удобрения, а дополняют их в системе удобрения культур, также повышают коэффициент использования питательных элементов и удобрений.

Во-вторых, под действием регуляторов роста растений на 20-30% повышается уровень "физиологической самозащиты" растений против болезней. При проникновении грибковой инфекции в растительные клетки на начальных этапах и на слабых природных инфекционных фонах, наблюдается достаточно активное зарубцевание поврежденных точек листового аппарата.

Кроме того, регуляторы улучшают гормональный статус растения, их архитектонику, повышают физиологическую стойкость к стрессовым факторам. Дополнительное применение регуляторов роста растений, наряду с природными, совпадает с существующими технологиями выращивания сельскохозяйственных культур и является энергосберегающим элементом биотехнологии.

Для активации фитогормонов необходимо соблюдение определенных условий (Хасанова, 2002).

– Фитогормоны оказывают влияние лишь тогда, когда в растении их недостает. Это чаще всего наблюдается в переломные моменты жизни растительного организма (прорастание семян, цветение, образование плодов), а также когда нарушена целостность растительного организма(черенки, изолированные ткани).В некоторых случаях условия внешней среды препятствуют образованию гормонов, тогда этот недостаток может быть восполнен их экзогенным внесением.

– Клетки, ткани, органы должны быть компетентны (восприимчивы) к фитогормонам. Компетенция связана с наличием рецепторов, а также с общим состоянием внутриклеточных процессов. Клетка может быть на одной фазе роста компетентна к внесению данного гормона, на другой – нет.

– Необходимо достаточное снабжение растений водой и питательными веществами.

– Действие всех гормонов зависит от концентрации. Повышенная концентрация сверх определенного уровня вызывает не стимуляцию, а резкое торможение роста и даже гибель растений.

– Эндогенные (естественные) фитогормоны определенным образом локализованы в отдельных отсеках клетки. При внесении извне распределение гормонов изменится. В этой связи экзогенное внесение не может полностью заменить гормоны, образовавшиеся при естественном метаболизме.

Роль фитогормонов в процессах роста и развития растений. Ауксины содействуют увеличению клеток в области позади точки роста. Способствует делению клеток камбия. Необходим для формирования проводящих пучков. В низких концентрациях стимулирует рост корня. Способствует образованию корней и каллусов, образованию и росту побегов у интактного растения. Усиливают апикальное доминирование, стимулируют рост плодов (иногда вызывают партенокарпию). У некоторых растений замедляют старение листьев и играют первостепенную роль в ростовых движениях.

Гиббереллины содействуют увеличению клеток в присутствии ауксина, способствуют делению клеток верхушечной меристемы и камбия. Ускоряется растяжение клеток. Стимулирует рост листьев, плодов, апикальное доминирование и инициацию образования почек.

Цитокинины стимулируют рост стебля, инициирует образование почек (побегов), рост плодов, рост боковых почек, предотвращают распад хлорофилла и деградацию внутриклеточных структур у изолированных листьев. Влияет на устьица, стимулирует их открывание, также может замедлять нормальный процесс старения листьев.

Абсцизовая кислота ингибирует рост стебля, особенно при физиологическом стрессе (например, при засухе или подтоплении), рост корня. Стимулирует покой почек, покой семян, цветение, также старение и опадание листьев и плодов, стимулирует закрывание устьиц в условиях водного стресса (завядание). Участвует в механизме тропизмов корней, тормозя рост корня растяжением.

Этилен ингибирует рост стебля, особенно при физиологическом стрессе. Удлинение стебля тормозится из за изменения направления роста клеток с продольного на поперечное, что приводит к утолщению стебля. Индуцирует корнеобразование на стебле, останавливает рост листьев, нарушает покой почек. Может стимулировать цветение у некоторых растений и созревание плодов. У некоторых растений вызывает эпинастию (опускание) листьев.

Регуляторы роста растений привлекли серьезное внимание с 20-30-х двадцатого столетия. Было выяснено, строение некоторых из них и была показана принципиальная возможность использования синтетических аналогов фитогормонов. В настоящее время все большее практическое применение получают синтетические аналоги фитогормонов.

Регуляторы роста растений или синтетические аналоги фитогормонов — это химические вещества, влияющие на процессы роста и развития растений. К настоящему времени, они нашли практическое применение в ведущих областях сельского хозяйства. Для предуборочного удаления листьев деревьев и кустарников; для повышения морозостойкости, засухоустойчивости и увеличения выхода первичного посадочного материала; борьбы с полеганием пшеницы, ржи, овса, ячменя и других культур при повышенной влажности воздуха и почвы; для повышения урожая сои, гороха, семян хлопчатника и некоторых других культур. Для подавления роста молодых побегов и развития пазушных почек, с целью повышения интенсивности плодоношения некоторых плодовых и ягодных культур. В целях предотвращения предуборочного опадания плодов, то есть для улучшения их товарных качеств. Для уменьшения прочности связи плодов со стеблем с целью механизации и облегчения их сбора. Для повышения урожая и получения партенокарпических плодов. Для предотвращения прорастания корней и клубнеплодов при их длительном хранении. Для стимуляции роста растений, нарушения состояния покоя у клубнеплодов; для ускорения укоренения растений при их вегетативном размножении черенками; для интенсификации цветения ряда декоративных растений и в ряде других случаев.

В настоящее время известно большое количество регуляторов роста, вырабатываемых как в растениях, так и синтетических, регуляторов роста гормональной природы Другие природные биологически активные соединения – это предшественники фитогормонов, витамины, коферменты. Многие синтетические регуляторы были синтезированы как аналоги или предшественники фитогормонов. Последние десятилетия эти биологически активные вещества интенсивно исследовались, однако лишь некоторые технологические процессы с их использованием нашли широкое практическое применение.

В качестве примеров можно отметить, что использование теоретических знаний о регуляторах, привело к улучшение укоренения черенков при обработке ауксинами и использование продуцентов этилена для повышения устойчивости злаков к полеганию, дефолиации хлопчатника и дозревания плодов томатов и некоторых других культур.

В то же время во многих исследованиях были установлены значительно более широкие возможности использования регуляторов роста. Для улучшения хозяйственно полезных признаков у сельскохозяйственных и декоративных растений, для повышения с их помощью устойчивости различной флоры к неблагоприятным условиям окружающей среды.

Конечно, регуляторы роста - достаточно сложные и дорогие органические соединения, и организация их производства требует серьезной технологической проработки и высокой культуры производства. Однако химическая промышленность на данный момент имеет большой опыт по производству весьма сложных органических веществ, а, кроме того, требуемые количества ростовых веществ относительно невелики. Но в значительно большей мере сложности и ограничения широкого применения ростовых веществ, связаны с особенностями их свойств и проявления биологической активности (Штильман, 1996).

Так, большинство регуляторов роста проявляют стимулирующую активность в достаточно узком диапазоне концентраций, превышение которых приводит к ингибированию и даже гибели растений (фитотоксичность, гербицидный эффект). Поэтому при обработке растительного организма нельзя использовать запасные количества препарата, рассчитанные на длительное его действие.

Многие регуляторы роста в природных условиях подвергаются вымыванию, улетучиванию, биологическому разрушению, что часто требуется для достижения эффекта использования весьма завышенных доз. В некоторых случаях ростовые вещества в используемых дозах токсичны для человека и животных. Наконец, многие эффективные вещества плохо растворимы, что затрудняет их применение, например, в малых дозах, когда требуется распределение небольшого количества регулятора по большому числу биологических объектов.

Как известно, для устранения подобных недостатков, присущих различным регуляторам роста, в том числе лекарственным веществам, используют так называемые системы с контролируемым выделением активного вещества. Использование таких систем позволяет реализовать оптимально дозированное поступление ростовых веществ в биологический объект, причем скорость дозирования может регулироваться изменением устройства или химического строения системы.

Регуляторы роста растений применяются с целью изменить жизненные процессы растений с тем, чтобы ускорить или задержать его рост, увеличить урожайность, улучшить качество или облегчить условия урожая.

В Москве с 29 по 1 июля 1999 г. проходила Пятая Международная конференция "Регуляторы роста и развития растений". В работе конференции приняли участие ученые многих НИИ, ВУЗов из России и других государств. Было отмечено, что проблема регуляторов роста растений приобретает в современных условиях все большее значение. Это обусловлено активным поиском новых более эффективных путей и методов повышения продуктивности аграрного сектора экономики. В настоящее время большой интерес вызывают нетрадиционные регуляторы роста растений и, особенно, олигосахарины. Нераскрытые механизмы действия фитоолигосахаринов пытаются изучить ученые разных стран. В России этой проблемой занимаются в Уфе. Необходимо отметить, что сейчас активно развиваются генетические подходы к изучению механизмов действия фитогормонов. Изучаются физиологические и молекулярные основы действия фитогормонов.

В этой связи значительный интерес представляют исследования нового класса фитогормонов – брассиностероидов. Они обладают высокой активностью, способствующей удлинению и делению клеток в растениях. Анализ литературных данных, показывает, что брассиностероиды обладают широким спектром биологической активности и способны влиять на различные физиологические процессы в растении. Наиболее эффективным сроком применения брассиностероидов является фаза цветения, когда растения проявляют самую высокую чувствительность к гормонам. Они не вызывают деформации листьев, придают растениям устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды, активизируют другие фитогормоны и тем самым повышают стойкость культур к стрессам. Происходящие в результате обработки изменения имеют не только количественный, но и качественный характер, отличаются от воздействия фитогормонов и продолжают сказываться в течение всей жизни растения, проявляясь в повышении урожайности сельскохозяйственных культур.

Применение брассиностероидов в картофелеводстве перспективно для получения качественного семенного материала. Подбор оптимальной концентрации рабочего раствора препаратов брассиностероидов и сроков обработки растений картофеля является решающим условием достижения положительного влияния на урожай (Бобрик, 2000).

Немаловажным, является знание синтетических регуляторов роста растений по некоторым критериям. Например, одни фиторегуляторы являются эффективными для начальных этапов роста растений, другие используются при размножении и развитии растений, третьи регулируют физиологический рост растения. Есть препараты для стадий созревания и покоя, для повышения устойчивости растений. Рассмотрим немного поподробнее некоторые из них.

Фиторегуляторы размножения растений. В основном применяют аналоги гормона ауксина. Именно он активизирует развитие корневой системы, и без этого гормона сложно представить себе размножение черенками. Синтетические ауксины известны под названиями гетероауксин и корневин. Они необходимы для стимуляции образования корней при размножении растений черенками, а также при пересадке, чтобы активизировать приживаемость культур на новом месте. При использовании гетероауксина, как, впрочем, и других фитогормонов, необходимо строго придерживаться рекомендованных доз и концентраций, поскольку передозировка может самым пагубным образом повлиять на растения. Более технологично применение корневина. Срез черенка просто погружают в готовый порошок препарата и высаживают на укоренение.

Фиторегуляторы начальных этапов роста. Препараты данной группы применяют при предпосевной обработке семян. В основном эти фиторегуляторы испытывались на овощных культурах, тогда как на декоративных растениях не проводилось специальных исследований их эффективности. Хорошие результаты получены благодаря предпосевной обработке семян некоторых однолетников, выращиваемых безрассадным способом. При работе с семенами необходимо помнить, что фиторегуляторы не заменяют стратификацию, но способны несколько сократить ее сроки. Практика показывает, что чем мельче семена, тем менее эффективна их предпосевная обработка. Для активизации ростовых процессов мелкосеменных культур целесообразно применять другие фиторегуляторы

Неспецифические стимуляторы роста. К этой группе относят препараты, полученные из грибов-симбионтов. Они выделены из микроорганизмов, которые живут в растениях и передаются потомству с семенами. Такие микроорганизмы, как правило, внешне себя никак не проявляют, а просто существуют в растительных тканях, получая от них сахара и аминокислоты и взамен поставляя регуляторные вещества. Препараты этой группы используются для обработки, как семян, так и растений в целом. Молодые растения становятся более конкурентоспособными, устойчивыми к заболеваниям, лучше развиваются. При использовании препаратов данной группы активизируются ростовые процессы практически всех видов растений, стимулируется развитие микоризы и тем самым снижается потребность в минеральных удобрениях.

Препараты для повышения устойчивости растений. Некоторые из них стимулируют образование стрессовых белков, защищающих организм от целого комплекса вредных воздействий. Таким свойством обладают сравнительно недавно открытые гормоны растений — брассиностероиды. Их широко применяют для повышения приживаемости растений после пересадки.

Другая группа препаратов повышает морозоустойчивость культур за счет изменения свойств клеточных мембран. Чтобы растения лучше перезимовали, их обрабатывают препаратами в июле–августе, кроме того, это положительно влияет на сохранность клубней, луковиц и корнеплодов при хранении.

Особо стоит отметить препараты, повышающие устойчивость растений к патогенным микроорганизмам. Которые практически не оказывает влияния на ростовые процессы, но отлично активизируют систему фитоиммунитета.

Регуляторы ростовых процессов. Стимулировать рост можно с помощью различных стимуляторов роста, однако, как показывает практика, гораздо актуальнее противоположная задача — торможение роста. Препараты, которые используются для подобных целей, имеют общее название ретарданты. Возможности их применения в декоративном садоводстве весьма значительны. Используя ретарданты, удастся резко сократить потребность в стрижке газонов без ущерба качеству, получить компактную, рано зацветающую рассаду декоративных культур. Компактные низкорослые деревья, очень плотные живые изгороди, оригинальные растения для солитерных и групповых посадок, даже бонсаи с помощью ретардантов получить гораздо легче, быстрее и эффективнее.

Стимуляторы созревания и покоя. Значение подобных веществ в декоративном растениеводстве невелико, однако о них следует знать, поскольку стимуляторы обладают защитными и ретардантными свойствами. Данные препараты являются аналогами наиболее интересного гормона растений — этилена.

Этилен тормозит процессы роста, стимулирует покой вегетативных органов, активизирует систему фитоиммунитета, процессы созревания и образования веществ, определяющих окраску, запах и вкус зрелых плодов. Он также участвует в регуляции опадания листьев и плодов, налаживает целый ряд менее значительных процессов.

Использование регуляторов роста и других препаратов (фунгициды, инсектициды, нематоциды) в сельском хозяйстве и промышленных отраслях (цветоводство) имеют не только положительные стороны, но и отрицательные. Некоторые из них при постоянном воздействии на организм человека могут быть причиной возникновения рака, неврологических заболеваний, репродуктивных нарушений у взрослых и врожденных дефектов у новорожденных. В организм человека препараты могут попадать при непосредственном соприкосновении с обработанным посадочным материалом без защитной одежды. Другие препараты при распылении, опрыскивании и других способах обработки растений препаратами в замкнутых пространствах через органы дыхания. Поэтому важно знать и соблюдать технику безопасности при работе с различными препаратами (Сиренко, 1994).

В настоящее время, в более или менее экономически развитых странах, невозможно себе представить аграрный сектор, без внедренных технологий по использования синтетических регуляторов роста при посадке, выращивании, сборе и хранении продовольственной продукции.

Но наряду, с практическим применением имеющихся данных, продолжается активный поиск новых знаний о биологически активных веществах, для создания более новых, более усовершенствованных биотехнологий.