Цитокинины

Министерство  образования и науки України

Днепропетровский  национальный университет им. Олеся  Гончара

Факультет биологии, экологии и медицины

Кафедра физиологии и интродукции растений 
 
 
 

Аналитический обзор

На тему : «Цитокинины» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Виполнил:

   студент гр.БР-11

      Бородай Дмитрий 
 
 

Днепропетровск 2011 

                   Общая  характетистика цитокининов 

                          Химическая структура 

       Цитокининами  называется  один  из  типов  фитогормонов,  обладающих  определенной совокупностью  биологической  активности,  которая  весьма  разнообразна и  проявляется  при  регуляции  роста,  органообразования, процессов старения и покоя.

       Цитокинины принимают участие   наряду  с  другими  фитогормонами   в  регуляции самых разнообразных физиологических процессов в растении. Для них, как и для других  фитогормонов, характерна полифункциональность. Кроме того, действие цитокининов  появляется в неразрывной  связи с действием других фитогормонов и природных ингибиторов.

       В химическом отношении природные цитокинины и их синтетические заменители  представляют  собой производные 6-аминопурина с заместителем в аминогруппе при шестом  атоме углерода пуринового кольца. 

                          Пурин 

       Цитокинины пуринового ряда слаборастворимы в воде, но хорошо растворимы в этаноле, этиловом эфире, ряде щелочей и кислот. Цитокинины устойчивы к нагреванию, автоклавированию, действию щелочей и кислот. Однако точная химическая характеристика цитокининов, как производных  6-аминопурина, затрудняется тем,  что  такими  же  свойствами  обладает  также дифенилмочевина и ее многочисленные производные. Очевидно, вопрос о   химической   характеристике   цитокининов  получит окончательное разъяснение  только  после  установления  молекулярного  механизма  их  действия. 

                           История открытия 

       Цитокинины были открыты в  1955 г. Скугом и Миллером с  сотрудниками в Висконсинском университете в США. Их обнаружению помог так называемый  “дефектный объект”, которым явился каллус сердцевины стебля табака.  Он  образовался  на  кусочках  сердцевины  стебля  в  условиях   стерильной  культуры, но быстро прекращал рост  в  связи  с  исчерпанием  какого-то фактора, исходно присутствовавшего в тканях  стебля.  Ввиду  того,  что  вернуть активный  рост  каллуса  удавалось  добавлением  к  питательной смеси, содержащей индолилуксусную  кислоту (ИУК), дрожжевого экстракта, а так же кокосового молока, Скугом и сотрудниками  была предпринята попытка выделить недостающие для роста каллуса вещество из   дрожжевого  экстракта.  При  этом  выяснилось, что активное  вещество обладает свойствами пурина.

       Вместе с тем проверка природных пуриновых оснований так же  как гидрометода РНК и ДНК показала, что они не способны обеспечить рост стеблевого  каллуса табака.  Неожиданно активным  оказался  эфирный экстракт из старого, давно хранившегося препарата ДНК.  Впоследствии выяснилось, что активное вещество образуется в любом препарате ДНК  при ее деградации путем автоклавирования в кислой среде. Это вещество было выделено в виде кристаллов и идентифицировано химически. Оно  оказалось 6- фурфуриламинопурином. 

                            6-фурфуриламинопурин 

        Указанное соединение образуется при автоклавировании ДНК в кислой среде из  дезоксиаденозина.  Поскольку 6-фурфуриламино-пурин в присутствии ИУК обеспечивал клеточное деление в изолированной сердцевине ткани стебля табака, он был назван  кинетином (от слова “кинез”).

         Принцип химического синтеза  производных пурина с замещением в аминогруппе у шестого атома углерода  пуринового кольца был известен ранее, поэтому вслед за химической идентификацией  кинетина  последовал его синтез. Затем было синтезировано много других активных  соединений, которые отличались от кинетина характером заместителя в аминогруппе при шестом атоме углерода.  Все эти соединения,  включая кинетин,  были объединены под общим названием кинины. Это название было распространено  в литературе до 1965 г. Однако ввиду того, что  в  физиологии  животных термин “кинины” еще ранее был применен для совершенно иных соединений-биологически активных полипептидов, Скуг, Стронг и Миллер предложили заменить название кинины на цитокинины. В настоящее время термин цитокинины стал общепризнанным.

                     Физиологическая роль цитокининов 

                     Стимуляция деления клеток 

       Цитокинины были открыты как вещества, необходимые для деления клеток у стеблевого каллуса табака и изолированной сердцевинной ткани стебля табака. Эти ткани не способны к синтезу цитокининов, а также ауксинов, что позволило выявить  многие существенные стороны действия данных фитогормонов на ростовые процессы. Так, в работах Скуга с сотрудниками было показано, что у изолированной сердцевинной ткани стебля табака в стерильной культуре одна ИУК несколько усиливала синтез ДНК, вызывала в отдельных клетках митозы, но не индуцировала клеточных делений. Точно так же один кинетин не вызывал  деления клеток. В его присутствии не происходили митозы, а синтез ДНК он стимулировал в меньшей степени, чем ИУК. Только совместное действие ауксинов и кинетина значительно активировало синтез  ДНК, вызывало митозы и индуцировало деление, клеток в изолированной сердцевине стебля табака.

            В последующем были предприняты  попытки разграничить во  времени  действие ИУК и кинетина в индукции клеточных  делений у этой ткани. Полученные данные не имеют пока однозначной интерпретации, но позволяют предполагать, что начальные стадии процесса индуцируются одним ауксином, тогда как в последующем необходимы оба гормона.

           Таким образом, было установлено,  что регуляция деления клеток  в изолированной сердцевинной  ткани стебля табака осуществляется  не одним гормоном - гипотетическим индуктором клеточных делений, а одновременным  действием двух гормонов - цитокинина и ауксина. При этом для каждого фитогормона был показан свой предел концентраций, в  которых он при наличии в среде другого гормона стимулирует данный процесс. Например, кинетин в присутствии в питательной среде 2 мг/л ИУК стимулировал деление клеток сердцевинной ткани стебля табака, начиная с концентрации 0,005  мг/л, но максимальное его действие достигалось в пределах концентраций от 0,02 до 0,5 мг/л. Увеличение концентрации кинетина до 2 мг/л приводило к угнетению процесса. Стимулирующее действие ИУК при одном и том же содержании в среде кинетина нарастало с  увеличением ее концентрации до 1,8 мг/л.  Максимальную интенсивность деления клеток вызывало сочетание оптимальных концентраций в среде обоих  фитогормонов.

           Вместе с тем в литературе появилось сообщение о том, что если заменить ИУК на 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту (2,4-Д) и взять последнюю в очень высокой концентрации, можно получить слабо идущее деление клеток сердцевинного каллуса табака и в отсутствие  кинетина. По поводу этих данных возникают два предположения:  либо только ауксины  критичны  для  деления клеток каллуса, либо высокие концентрации 2,4-Д индуцируют синтез в каллюсе эндогенных цитокининов. Дальнейшие исследования должны показать, какое  из  этих  предположений справедливо.

           В связи с этим важно упомянуть,  что у отдельных штаммов каллуса сердцевины табака обнаружена способность к синтезу цитокининов. Эти штаммы возникали спонтанно при длительной культуре каллуса. Одни из них были способны к синтезу только цитокининов, а другие – и цитокининов  и  ауксинов.  Для  интенсивного  роста  таких  штаммов  не требовалось добавления в питательную среду соответствующих фитогормонов. Они сами могли служить источником фитогормонов для обычных дефектных штаммов.  Аналогичное явление наблюдалось и для каллусов семядолей сои, которые обычно также не  способны к синтезу ауксинов и цитокининов и нуждаются для роста в их предоставлении  извне. Вместе с тем были обнаружены штаммы этой ткани, не зависящие в своем росте от присутствия в среде цитокининов, и было показано, что это происходит потому, что они приобретают способность к синтезу собственных цитокининов.

           Достаточное эндогенное содержание  цитокининов, нехватка ауксинов  или других необходимых веществ могут стать причиной отсутствия стимулирующего действия цитокининов на деление клеток. Кроме того, в случае высокого эндогенного содержания  цитокининов их предоставление извне может привести и к угнетению клеточных делений. Возможно именно с таких позиций следует рассматривать работы, в которых показано отсутствие стимуляции или даже торможение деления клеток цитокининами. Кроме того нужно еще иметь в виду, что некоторые растительные объекты могут быть не компетентны для реакции на цитокинин активацией клеточных делений.

           Вместе с тем стимуляция с  помощью цитокининов митозов  и деления клеток продемонстрирована на очень большом числе разнообразных объектов, включая изолированные ткани, кончики корня, растущие листья, точки роста стебля, зародыши  прорастающих семян, водоросли, мхи и другие объекты. 

                    Влияние цитокининов на рост  клеток 

        Уже в первых работах по  цитокининам  на стеблевых  каллусах табака в лаборатории Скуга было показано, что цитокинины влияют не только на деление клеток, но и на их рост растяжением. Скуг пришел к выводу о том, что для роста клеток так же, как и для их деления,  нужны и цитокинины, и ауксины, причем концентрации этих веществ и соотношение между ними, стимулирующее рост клеток, отличается от тех, которые стимулируют клеточное деление.

        Наиболее эффективно цитокинины  стимулируют рост клеток в отрезках растущих  листьев.  Это  было показано на листьях самых различных двудольных травянистых  растений, а также на семядолях. На отрезках листьев однодольных растений стимуляция роста клеток цитокинином не удается. С помощью цитокининов  удается индуцировать рост клеток в листьях, уже давно закончивших рост. Помимо листьев, стимуляция роста клеток цитокининами показана и у  многих  других  объектов. Однако в литературе отмечены случаи, когда цитокинины угнетали рост клеток. Угнетение чаще всего обнаруживается на отрезках стебля и корнях, причем цитокинины снимают стимулирующее действие на рост стебля ауксинов. Однако не исключено, что различие роста клеток листьев и клеток стебля и корня при воздействии цитокининов определяется различием в диапазоне стимулирующих концентраций. Такое предположение основывается на работах, в которых использование   очень низких концентраций цитокининов приводило к стимуляции роста стебля. Этот вопрос подлежит специальному изучению. 

                    Действие цитокининов на органогенез 

       Индукция с помощью цитокининов  органогенеза  у  недифференцированной ткани стеблевого  каллуса  табака была впервые показана Скугом с сотрудниками, которые с помощью ИУК и кинетина вызывали образование у каллуса корней и побегов и установили, что  для закладки каждого из этих органов требовались свои специфические концентрации обоих фитогормонов. Меняя содержание фитогормонов в питательной среде, можно было направлять органогенез в сторону образования корней или побегов. Так, например, содержание в питательной среде 2 мг/л ИУК и 0,02  мг/л кинетина вызывало у каллуса   сердцевинной ткани стебля табака интенсивное деление клеток и дифференциацию корней. Повышение концентрации кинетина до 0,5 – 1  мг/л угнетало корнеобразование, но индуцировало формирование стеблевых почек. Дальнейшее увеличение концентрации кинетина до 2 мг/л оказывало общее ингибирующее действие на рост каллюса и процессы органообразования.

      Стимуляция с помощью цитокининов  процессов  органогенеза  была  затем подтверждена на очень  многих объектах. При этом в ряде случаев цитокинины, стимулируя образование побегов, вместе с тем задерживали закладку корней. Однако Хайде на листьях бегонии показал, что закладка и корней, и стеблевых почек нуждается у этого объекта в цитокининах и ауксинах, и для каждого из этих процессов существуют оптимальные концентрации обоих фитогормонов, при которых они усиливают действие друг друга. Так как концентрации цитокининов, стимулирующие закладку корней, крайне низки, в большинстве объектов хватает, по-видимому, собственных цитокининов для осуществления этого процесса. Возможно, именно этим объясняется тот факт, что данные извне цитокинины ингибируют корнеобразование. Вместе с тем у каллуса Рорulus tremuloides L. корнеобразование происходило только при полном удалении из питательной среды кинетина и при наличии в среде 2,4-Д. Кроме того, образование побегов требовало у этого объекта удаления из среды  ауксинов и происходило под действием одного цитокинина. Эти данные противоречат результатам Скуга о необходимости обоих фитогормонов для дифференциации, как корней, так и побегов. Однако это противоречие могло бы быть разрешено с позиции большего эндогенного содержания обоих фитогормонов в каллусе Рорulus tremuloides L., по сравнению с их содержанием в каллусе сердцевины стебля табака. Этот вопрос требует дальнейшего изучения.

      Существенно отметить, что с помощью цитокининов удается также влиять на закладку и дифференциацию генеративных органов, вызывая зацветание растений в условиях неблагоприятного температурного или фотопериодического режима. С помощью цитокинина можно также повлиять на пол цветков.

      Цитокинины индуцируют органообразовательные  процессы также у мхов. Под  действием  цитокининов у протонемы  мха, представляющей собою нитевидное образование, индуцируется закладка стеблевых почек. На основе индукции образования стеблевых почек у протонемы мхов разработан высокочувствительный биотест на цитокинины. Известно также влияние цитокининов на процессы дифференциации у папоротников.

      Существенно, что действие цитокинина  на процессы дифференциации обнаруживается  у одноклеточной водоросли Аcttabularia. Эта гигантская клетка образует в ходе своего развития  подобие корешка, стебля и шляпки. В зависимости от взятой концентрации, кинетин стимулирует или угнетает образование и рост этих частей клетки. При этом стимулирующие концентрации для стебля и шляпки оказываются различными и меняются в зависимости от возраста клеток.

       Стимулируя процессы дифференциации, цитокинины в ряде случаев  вызывают дедифференциацию. Таким  образом,  цитокинины  оказывают  большое влияние на процесс

дифференциации, характер которого меняется в зависимости от концентрации цитокинина, его  соотношения с ауксином и особенностей объекта. 

            Снятие с помощью цитокининов  апикальной доминанты 

      По предположению Тиманна, цитокинины  и ауксины участвуют в регуляции распределения ростовых процессов вдоль по стеблю растения. При этом, если с помощью ауксинов осуществляется подавление роста боковых почек со стороны верхней почки и рост стебля происходит без образования боковых побегов (так называемая апикальная доминанта), то  цитокинины снимают ингибирующее действие на латеральные почки верхушечной почки или ауксинов и вызывают рост боковых побегов. На этом основании можно с помощью цитокининов заменить главный побег на боковой или вызвать усиленный рост многих боковых побегов у растений, которые без обработки их раствором цитокинина не дают ветвления. 

                Прерывание покоя и стимуляция прорастания семян под действием цитокининов. 

      С помощью цитокининов удается  прервать покой спящих почек  древесных растений в летний и зимний периоды, а также вывести из состояния покоя клубни некоторых растений, например бегонии.

      Цитокинины оказываются эффективным  средством в прерывании покоя  некоторых семян. Стимулирующее  действие цитокининов на прорастание обнаружено на семенах латука, которые нуждаются для индукции этого процесса в действии красного света. Цитокинины   стимулируют их прорастание как в темноте, так и при кратковременном воздействии красным светом. С помощью цитокининов удается повысить у ряда растений всхожесть семян, ослабленную в результате их  длительного  хранения. 

                 Влияние цитокининов на рост  целых растений 

       Выше были приведены примеры,  когда с помощью цитокининов  можно было вызвать рост боковых  побегов на растении и их зацветание в неблагоприятных для цветения условиях. Что же касается общей стимуляции роста растений цитокининами, то ее получить весьма сложно и пока еще не найдены пути эффективного воздействия на рост и урожай растений. В этом отношении было сделано несколько неудачных попыток. Так, например, опрыскивание растений карликовой пшеницы раствором кинетина не влияло на их рост, а полив растений  томатов, росших в песке, раствором кинетина (10 – 100 мг/л) резко угнетал их рост. Кинетин, добавленный в питательную среду (0,002  –  2 мг/л), тормозил также рост томатов, огурцов и гороха и задерживал их зацветание. Неудачей закончились и попытки повлиять с помощью кинетина на формирование зерна и содержание в нем азотистых веществ у пшеницы. По-видимому, во всех этих случаях в растениях хватало эндогенных цитокининов или, по крайней мере, не они являлись лимитирующим фактором. Однако в литературе известны примеры и стимулирующего действия цитокининов на рост растений. Например, кинетин, добавленный в крайне низких концентрациях к раствору Кнопа, стимулировал рост проростков подсолнечника, фасоли и люпина,  растений ряски в темноте, проростков  люпина  в  темноте  и  на свету, а также проростков редиса на свету. Погружение растений табака на 1 час корнями в раствор цитокинина (5*10-4 М) вызывало значительное усиление роста листьев на растении и

повышало  в них содержание калия. Есть указания о возможности повлиять с помощью  цитокининов  нарост  плодов яблони и на формирование урожая у растений кукурузы. Особенно интересные сведения получены  в  последнее  время Турковой и Сабо, которые показали, что однократное опрыскивание растений подсолнечника раствором кинетина на фоне высокой дозы азотного питания вызывает значительную прибавку общего веса растений   и увеличение веса корзинок. Подобное же опрыскивание ускоряет и зацветание растений подсолнечника.

      Приведенные примеры позволяют  заключить, что, хотя случаи, когда  эндогенные  цитокинины  бывают  в  растениях  в  минимуме  и поэтому проявляется стимулирующее действие экзогенных цитокининов, бывают,  повидимому, редко, все же могут быть найдены условия, при  которых можно ожидать, что цитокинины окажутся эффективным средством  воздействия на рост и урожай растений. 

         Продление с помощью цитокининов  жизни срезанных листьев 

      В предыдущих разделах показано  участие цитокининов в регуляции  роста и органообразования у  растений. Однако, помимо этого   итокинины оказывают влияние  на уже закончившие свой рост  органы растения. Наиболее сильно  их действие сказывается на   срезанных листьях травянистых растений. Цитокинины задерживают их пожелтение и продлевают жизнь срезанных листьев. 

             Цитокинины как фактор воздействия одних органов растения на другие и их влияние на

                  передвижение веществ в растении 

      Цитокинины, как и другие фитогормоны,  являются одним из факторов, с  помощью которого одни органы  растения влияют на другие. Они  оказывают регуляторное действие на распределение питательных веществ в растении. 

          Защитное действие цитокининов против неблагоприятных факторов 

       Цитокинины повышают устойчивость  клеток к самым различным неблагоприятным  воздействиям, таким как, действие  повышенной и пониженной температуры,  обезвоживание,  грибная и вирусная инфекция, механическое воздействие и влияние различных химических агентов. Так, в опытах Мотеса и Энгельбрехта было показано, что кинетин повышает устойчивость к кратковременному нагреву клеток обработанной им половины срезанного  листа табака и способствует последующему репарационному процессу. Это действие  цитокининов  Мотес ставит в прямую связь с их способностью повышать удерживание  клетками  подвижных  метаболитов и приток к ним питательных веществ из окружающих  тканей. Это  свойство клеток удерживать и притягивать подвижные метаболиты Мотес  называет аттрагирующей способностью клеток. По  данным Мотеса и Энгельбрехт, эта способность клеток листа резко снижается в результате нагрева, а цитокинин повышает ее, что может быть одним из путей проявления его защитного действия по отношению к нагреву.  Механизм такого действия цитокининов не изучен. Не исключено, что он связан с их влиянием  на функциональное состояние мембран. Этот вопрос нуждается в специальном исследовании.

       В  связи  со  сказанным   важно  упомянуть,  что   защитное   влияние цитокининов проявляется при действии на растительные объекты самых различных агентов, таких как,  например, пенициллин, хлорамфеникол, NaF и  тетрахлорнитробензол,  5-фторурацил, 8-азагуанин, токсические концентрации сахарозы, высокий процент обогащения воды D₂О, механическое  воздействие на клетки листа при инфильтрации и т. д. Причины защитного  действия цитокининов в каждом конкретном случае могут быть различными  и, очевидно, требуют специального изучения. Однако не исключено, что механизм такого действия может оказаться и одинаковым. Например, он может проявляться через действие цитокининов на структурное и функциональное состояние различных макромолекуляриых компонентов клетки и, в частности, на состояние их мембранного аппарата. Электронно-микроскопические исследования показывают, что цитокинины задерживают деградацию различных  мембранных  структур в клетках  листа, включая ламеллы стромы и граны хлоропластов, мембранные структуры митохондрий и эндоплазматический ретикулум.  При помощи цитокинина  удавалось предотвратить разрушение в срезанных листьях мембранной оболочки, содержащей гидролитические ферменты, и таким путем защитить от разрушения белки, нуклеиновые кислоты и липоиды .плазмы. По-видимому, действие цитокининов на  мембранный аппарат клетки может иметь существенное значение в осуществлении их регуляторного действия на обмен веществ растений и не исключено, что имеет отношение к  защитному  действию цитокининов при различных неблагоприятных воздействиях. Иную интерпретацию может иметь защитное действие цитокининов на листья целых растений в условиях повышенной температуры и засухи. По-видимому, в таких случаях в листьях может возникать дефицит эндогенных цитокининов  за счет снижения их поступления из  корней,  что  и создает условия длязащитного действия  данных  извне  цитокининов. Правда, необходимо    упомянуть, что такое защитное действие проявляется не всегда. Так, при помощи цитокинина не удалось задержать пожелтение растений пшеницы  при недостатке водоснабжения в условиях вегетационного опыта. Однако работа в этом направлении может быть перспективной для защиты растений от различных неблагоприятных воздействий. 

     Использованная литература: 

1. Ващенко И.М. “Основы сельского хозяйства”, 1987. 
2. Верзилов В.Ф. “Регуляторы роста и их применение в растениеводстве”, М., Наука, 1971. 
3. Дерфлинг К. “Гормоны растений”, 1985. 
4. Доклады АН РАН, 1997 т.353 №2 с 261-263. 
5. Кулаева О.Н. “Цитокинины, их структура и функции”. М., Наука, 1973. 
6. Полевой В.В. “Фитогормоны”. Л., ЛГУ, 1982.
7. Физиология и биохимия культурных растений, 1997 т29 №3 с 220-225. 
8. Якушкина Н.И. “Фитогормоны и их действие на растение”. М., 1982 год.