Широко известна способность зеленых растений вырабатывать разнообразные органические вещества, необходимые им для питания, роста и развития. Среди этих веществ особое место занимают гормоны — вещества, обладающие высокой физиологической активностью и легко передвигающиеся по растению. В настоящее время известны три основные группы гормонов растений: ауксины, гиббереллины и цитокинины.
Первое предположение о существовании в растениях особых органообразующих веществ, от которых зависит развитие стеблей или корней, было выдвинуто в середине XVIII века французским естествоиспытателем Дюгамель дю Монсо [Duhamel-du Monceau, 1758]. Однако вполне отчетливое высказывание о присутствии в растении особых физиологически-активных ростовых веществ было сделано в 1880 г. Ч. Дарвиным [1941].
Большой вклад в изучение ростовых веществ был внесен Бойсен-Иенсеном [Boysen-Jensen Р., 1910, 1911], доказавшим, что при фототропическом изгибе колеоптиля овса из его верхушки в основание дифундирует вещество, ускоряющее рост клеток. Развитию учения о фитогормонах в значительной степени способствовали исследования Пааля [Paal, 1918], Штарка [Stark, 1921], Штарка и Дрекселя [Stark a Drechsel, 1922], которые в результате своих экспериментов по изучению передачи фототропического раздражения от возбужденной верхушки колеоптиля злаков к его основанию, пришли к убеждению, что дальнейшее изучение ускоряющего рост вещества должно идти по линии выяснения его природы. Уже в 1923 году на основании своих исследований Зёдинг [1955] определенно высказался за отнесение этого вещества к ростовым гормонам.
Важный шаг в изучении гормонов роста был сделан в 1928 году Холодным [1939] и Вентом [1928], которых заслуженно называют авторами гормональной теории роста и тропизмов растений. Холодным и Вентом было установлено, что гормоны роста образуются в растущих верхушках стеблей и корней и под влиянием фототропического и геотропического раздражения неравномерно распределяются по обеим сторонам осевых органов, в результате чего возникают фототропические и геотропические изгибы.
Интенсивная экспериментальная работа по изучению влияния ростовых гормонов на процессы роста, морфогенеза и развития растений стала проводиться после выделения в 1933 — 1934 гг. Кёглем и его сотрудниками [Kogl F., Haagen-Smit A., Erxleben, 1934] в химически чистом виде гетероауксина.
Впервые гетероауксин был выделен из культуры гриба Rhisopus и некоторых плесеней, затем из мочи различных животных и человека и, наконец, из тканей высших растений. Структурная формула гетероауксина такова: С6Н4NСН==ССН2СO2Н. По своей структуре гетероауксин является бета-индолилуксусной кислотой, что свидетельствует о его большой близости к одной из весьма важных аминокислот — триптофану.
В настоящее время считается, что именно бета-индолилуксусная кислота и является основным ростактивирующим соединением, синтезируемым растением. Выделение бета-индолилуксусной кислоты из тканей высших растений имело большое значение, так как, с одной стороны, способствовало широкому изучению действия этого вещества на растения, с другой стороны, явилось поводом к отысканию новых синтетических органических соединений, обладающих таким же физиологическим действием, что и гетероауксин.
Работы Холодного [1939, 1956 — 1959] по изучению растительных гормонов получили широкую известность как в нашей стране, так и за ее пределами, и он справедливо считается одним из основоположников современного учения о фитогормонах.
Наряду с продолжением работ по установлению влияния гормонов на тропизмы и рост растений все большее распространение стали получать другие направления в исследовании проблемы фитогормонов. Это прежде всего, изучение гормональной регуляции генеративного развития растительных организмов, исследование гормональных свойств пыльцы, роли гормонов в заложении и созревании плодов, рассмотрении вопросов, связанных с механизмом действия ауксинов.
Гормональная регуляция генеративного развития растений является одной из главных проблем в области современного исследования фитогормонов. В ее разработке принял участие Чайлахян [1943, 1958, 1964], который на основании многолетних изысканий выдвинул гормональную теорию развития растений.
Широкое развитие экспериментов по изучению использования ростовых веществ в нашей стране началось со второй половины 40-х годов, т. е. тогда, когда было уже налажено отечественное производство бета-индолилуксусной кислоты. Работа по синтезу этого соединения в Советском Союзе была начата в лаборатории органической химии Московского университета им. М. В. Ломоносова. Применяя методику японских химиков, группа сотрудников во главе с академиком Наметкиным [см. Манойленко, 1964] в 1941 году получила первые несколько килограммов отечественной бета-индолилуксусной кислоты. В этой же лаборатории был осуществлен синтез индолилмасляной кислоты и разработан простой и доступный способ ее получения в крупнолабораторных масштабах.
Среди многих синтетических препаратов, действующих подобно бета-индолилуксусной кислоте [ИУК], широкое распространение получили бета-индолилмасляная кислота [ИМК] C6H4NHCH = С(СН2)зСО2Н; альфа-нафтилуксусная кислота [НИК] С10Н7СН2СО2Н; 2,4-дихлорфенокснуксусная кислота, (2,4Д)С6Нз (С12)0СН2СО2Н; 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная кислота (3 — ТУ) С6Н2С1з0СН2СО2Н.
В современной литературе имеются многочисленные работы, свидетельствующие о сильном и разностороннем влиянии ауксинов и их аналогов на процессы жизнедеятельности растительного организма. Установлено, что действие ауксиновых препаратов основано на активации клеточного деления, а также второй фазы роста клетки — растяжения. Ауксины, изменяют возрастное состояние клетки, активируют деятельность камбия. Обработка бета- индолилуксусной кислотой резко активирует процессы корнеобразования, ускоряет прорастание спящих почек, нарушает нормальный ход геотропической реакции, вызывая сдвиги в физиологической полярности органов.
Изучению действия ростовых веществ большое внимание уделял Максимов [1937 — 1949]. Им было установлено, что ауксины оказывают разнообразные воздействия на растения; что в основе действия на растительную клетку ростовых веществ лежит резкое увеличение поступления в нее как воды, так и растворенных в воде веществ, а это способствует не только растяжению клеток, но и новообразованию протоплазмы и делению клеток.
Влияние ауксинов и синтетических ростовых веществ на рост и формообразование растений является не только предметом научных исследований, но и стало широко использоваться в практике различных отраслей растениеводства. Одной из таких отраслей является вегетативное размножение растений, где применение стимуляторов роста при черенковании растений открыло большие перспективы ускоренного вегетативного размножения как средне- и трудноукореняемых, так и легкоукореняющихся пород [Максимов, 1941; Чайлахян, Турецкая,1942; Чайлахян, 1943; Тарасенко, 1965].
Ауксины стали широко использоваться и при пересадке древесных и кустарниковых пород. При этом они способствуют луч- шей приживаемости, разрастанию корневой системы, усиливают общий рост растений. По данным Верзилова [1953], под влиянием стимуляторов роста корневая система быстро восстанавливается, ее мощность увеличивается. Обильный и быстрый рост сильных молодых корней способствует хорошей приживаемости и улучшает состояние дерева после пересадки. Помимо этого, ауксиновые препараты способствуют предупреждению опадения цветков и завязей и усилению плодоношения овощных и плодовых растений. На основании многолетних и обширных экспериментальных изысканий, проведенных в разных странах, показано, что такие основные фазы развития сочных плодов, как рост и созревание, регулируются гормональными факторами [Ракитин, 1951, 1965].
Наряду с соединениями стимулирующего действия, стали известны вещества, оказывающие на ростовые процессы растения ингибирующее влияние. Ингибиторы роста широко распространены в растениях. Представления о роли ингибиторов в растительном организме долгое время ограничивались двумя функциями — регулированием периода покоя и прорастания почек и семян. В настоящее время установлена более широкая роль ингибиторов роста в жизнедеятельности растений. Показано, что рост растений зависит как от гормонов, стимулирующих его, так и от ингибиторов, задерживающих его.
Эта точка зрения укрепилась и получила дальнейшее и экспериментальное подтверждение с началом применения методов разделительной хроматографии. Широкое применение хромато- графического метода в сочетании с биологическими тестами ясно показало наличие ингибиторов в различных частях и органах растения, в том числе и в органах интенсивно растущих.
Наряду с ауксинами, ингибиторы принимают активное участие в регулировании роста стеблей. Рост всех надземных органов, и генеративных и вегетативных происходит при регулирующем участии ингибиторов. Выступая в своих главнейших проявлениях как антагонисты ауксинов, ингибиторы осуществляют функцию регуляторов не изолированно от ауксинов, а совместно с ними, образуя подвижную систему, равновесие которой обычно сдвигается либо в сторону ауксинов (перед или во время усиления интенсивного роста), либо в сторону ингибиторов (перед и во время затухания роста и наступления состояния покоя).
На возможное участие ингибиторов в естественной регуляции роста и развития растений впервые указал Кёкеман [Kockemann, 1934]. Обнаружив ингибиторы в семенах, он предположил, что эти вещества могут ограничивать способность семян к прорастанию. Возможность регулирования роста ингибиторами приобрела более реальное значение после исследований Хемберга [Hemberg, 1949, 1954], показавшего, что покоящиеся почки ясеня и глазки картофеля содержат большое количество ингибиторов роста и что после нарушения покоя содержание ингибиторов снижается. В дальнейшем представление об ингибиторах как об эндогенных факторах регуляции роста было распространено на многие другие ростовые процессы. Например, Нич [Nitsch, 1957] показал, что у различных древесных растений, прекращающих рост в условиях короткого дня, в это время обнаруживается накопление ингибиторов роста. В исследованиях Турецкой и Кефели [1965, 1968] была установлена роль ингибиторов в росте целых растений, в процессе органообразования у черенков и в процессах роста листьев и почек.
Согласно данным исследований последних лет [см. Кефели, Турецкая, 1967; Кефели, 1971], природные ингибиторы представлены соединениями различной химической природы. Сюда относятся простые и сложные полифенолы и их производные (фенол- карбоновые кислоты), флавоноиды и другие. Сюда же относятся некоторые циклические ненасыщенные соединения, близкие по своей химической структуре к ауксинам: бензойная кислота СбН5СО2Н; салициловая кислота Н0С6Н4СО2Н; галловая кислота (Н0з)зС6Н2СО2Н; коричная кислота С6Н5СН = СНСО2Н; кумарин С6Н4ОСОСН = СН и другие.
Исследования показали, что ростовые процессы в растениях протекают при сложном взаимодействии пластических веществ и контролируются гормональными соединениями и их природными антагонистами, к числу которых относятся фенольные соединения, способные накапливаться в растительных тканях в количествах, тормозящих ростовой процесс. Для ряда тормозящих рост веществ фенольной природы было показано, что их содержание в растительных тканях изменяется в течение сезона и что эти изменения коррелируют с замедлением или активацией ростовых процессов, функционирование фенольных ингибиторов связано с их концентрацией в растительных тканях, которая поддерживается на соответствующем уровне, благодаря системе ферментов, катализирующих их синтез и разрушение.
Ингибиторы роста, выступающие как антагонисты ауксинов, могут действовать различными путями. Наиболее простой механизм действия ингибиторов фенольной природы на рост растений заключается в активации ИУК-оксидазы. Хотя специфическое действие ингибиторов пока еще не изучено, однако можно сказать, что они являются основными компонентами системы, осуществляющей эндогенную регуляцию роста и развития растений.
Ингибирование роста вызывают не только фенольные соединения. За последнее время были выделены терпеноидные соединения — абсцизины, из стенок коробочек хлопчатника, которые способствуют образованию отделительного слоя, вызывающего опадение листьев и плодов, индуцируют переход растений к периоду покоя. Благодаря этим свойствам, их называют дорминами.
Эддикотом и др. [Addicott at all., 1964]; Борнманом и др. [Bornman, Spurr, Addicott, 1967] установлено, что содержание абсцизовой кислоты в растениях накапливается с возрастом, и что накапливаясь, она вызывает лизогенное разрушение клеток паренхимы и деструкцию клеточных стенок, что приводит к отделению черешка. Бовен и Гоад [Bowen, Hoad, 1968], обнаружив абсцизовую кислоту во флоемном и ксилемном соке ивы (Salix viminalis), установили, что содержание ее увеличивается при переходе растения в состояние покоя. Абсцизовая кислота обнаружена и в метанольном экстракте из 20-ти дневных растений гороха [Tietz, 1970].
Объясняя механизм действия абсцизовой кислоты, Миттелейзер и Стивенинск [Mittelheuser, Stiveninck, 1971] установили, что под ее влиянием уже через 30 минут наблюдается уменьшение фотосинтеза до 50%, и резкое возрастание величины устичного сопротивления. В связи с этим, авторы тогда же сделали предположение, что абсцизовая кислота играет роль эндогенного регулятора степени раскрывания устьиц.
Таким образом, мы видим, что и фенольные ингибиторы и абсцизовая кислота обладают общим свойством: подавляют ростовые процессы, вызываемые всеми фитогормонами и не проявляют антигормональной специфичности.
Другая группа фитогормонов — гиббереллины вошли в науку позднее. Почти с нахождением в растении ауксинов в Японии была открыта еще одна группа ростовых веществ — гиббереллинов. Куросава [Kurosawa, 1926], исследуя болезнь риса, вызываемую грибом Gibberella fujikuroi, отметил, что главным симптомом этой болезни является чрезмерный рост растений; воздействуя экстрактами из Gibberella fujikuroi на здоровые растения он вызывал их усиленный рост.
На протяжении нескольких лет это термостабильное ростовое вещество не удавалось очистить из-за присутствия в экстрактах ингибитора — фузариновой кислоты, и только в 1935 году Ябута [Vabuta Т., 1935, Vabuta Т., Hayashi Т., 1939] выделил его в кристаллическом виде и назвал гиббереллином. Впоследствии гиббереллины были найдены в тканях высших растений. Установлено, что под термином гиббереллины объединяется группа соединений, отличающихся по оптическим свойствам и физиологической активности: A1 — С19Н24О6 ; А2 — C19H26О6 ; А3 — С19Н22О6 : А4 — G19H24O5 и т. д. В настоящее время насчитывается свыше 40 представителей этих соединений. Наиболее активен из них гиббереллин А3 или гибберелловая кислота. Помимо японских авторов, изучением гиббереллинов с начала 50-х годов занимались Брайен [Brian, 1958], Мак-Миллан [Mac-Millan a. al., 1961] в Англии, Стодола [Stodola, 1958] ,в США и др.
Установлено, что гиббереллины стимулируют клеточное деление а также рост клеток в фазе растяжения [Hayashi, Takijima. Murakami, 1953]. Гиббереллины не только стимулируют рост растений, но и участвуют в эндогенной регуляции процессов развития периода покоя, цветения и фотопериодизма. В настоящее время уже не вызывает сомнений, что гиббереллины принадлежат к естественным метаболитам растительной клетки. Они образуются на свету, тогда как темнота действует на них разрушающе. Содержание гиббереллинов различно в условиях различных фотопериодов. Как правило, оно выше в условиях большой длины дня [Чайлахян, Ложникова, 1966].
Согласно имеющимся в литературе данным, обработка гиббереллином вызывает у растений резкое удлинение стебля и черешков. В особенности ярко проявляется это действие на розеточных, однодольных растениях. Характер действия гиббереллинов в большой степени зависит от их концентрации. Повышение дозы нередко вызывает эффект обратной стимуляции [Чайлахян, Саркисова, 1961]. Опрыскивание растений слабыми растворами приводит к получению необычайно высоких стеблей.
Наиболее широко развернулось применение гиббереллинов на бессемянных сортах винограда, у которых вызывается сильный рост ягод [Катарьян, и др., 1960; Чайлахян, Саркисова, 1961, 1965, 1966, 1976].
Препараты ауксинов и гиббереллинов являются наиболее сильными стимуляторами роста, активно влияющими на обмен веществ, рост и развитие растений. Ланг и Рейнгард [Lang и Reinhard, 1961] считают, что физиологическую активность гиббереллины проявляют только будучи связаны с белком. Лишь соединившись с белком, молекулы гиббереллина приобретают способность воздействовать на глубинные стороны клеточного метаболизма, и в частности на механизмы, регулирующие биосинтез нуклеиновых кислот и белков-ферментов.
Третья группа фитогормонов — цитокинины начали привлекать к себе внимание физиологов растений еще в 40-х годах. Ван-Овербег и соавторы [Van-Overbeek a. al., 1941] обнаружили, что молоко кокосовых орехов содержит какие-то вещества, способные резко стимулировать рост зародышей в тканевых культурах.
Впоследствии выяснилось, что по своей химической природе цитокинины являются производными аденина и впервые они были обнаружены Скугом и Миллером [Skoog, Miller, 1957]. Первым в этой группе был обнаружен кинетин, или 6-фурфурилами- нопурин. Скуг и Тсуи [Skoog a Tsui, 1948] показали, что пуриновое основание аденин — весьма эффективно стимулирует дифференцировку почек в культуре клеток сердцевинной паренхимы табака. Однако влияние кинетина и факторов кокосового молока не ограничивается клеточным делением и дифференцировкой почек. Цитокинины обладают разнообразными физиологическими действиями: стимулируют рост листьев, освобождают боковые почки от апикального доминирования, нарушают покой семян, усиливают процессы мобилизации питательных веществ в листьях и т. д. В основе действия кининов на клеточное деление лежит их способность вызывать заметные изменения в обмене белков и нуклеиновых кислот. С помощью цитокининов удается индуцировать рост клеток в листьях, уже давно закончивших рост [Mothes, 1960]. Исследованиями Мотеса и Энгельбрехта [Engelbrecht, Моthes, 1960, 1964] было показано, что кинетин повышает устойчивость к кратковременному нагреву клеток 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 Энгельбрехта 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. Присутствие кининов в органах с интенсивным обменом веществ в цветках и молодых плодах допускает возможность их участия в эндогенных механизмах процессов накопления питательных веществ.
Роль цитокининов в целом растении изучена еще недостаточно полно. Однако имеются веские доказательства относительно того, что они имеют большое значение в регуляции обмена веществ в листьях, поступая из корневой системы, а также во взаимодействии разновозрастных частей растения. Важным фактором, определяющим характер действия цитокининов, является содержание в тканях ауксинов, при наличии которых проявляется комплексное действие ауксинов и цитокининов [Кулаева, 1967, Курсанов, 1969].
Помимо вышеперечисленных физиологически активных веществ, принимающих активное участие в регуляции ростовых процессов, существует еще одна группа соединений, не обнаруженных в растениях, но оказывающих тормозящее влияние па ростовые процессы и получивших название ретардантов. Ретарданты являются синтетическими соединениями высокой физиологической активности. Ретарданты замедляют рост и деление растительных клеток, задерживают рост стеблей и побегов и обусловливают темно-зеленую окраску листьев. По химическому строению ретарданты распределяются по различным группам соединений, среди которых наиболее известны ретардант ССС (хлорхолинхлорид); АМО 1618, (четвертичная аммониевая соль пиперединкарбоксилата); В-19 (алар-М-диметилгидразид аминоянтарной кислоты); этафон (этрель-хлороэтил-фосфоновой кислоты) и др.
Многочисленные эксперименты, поставленные за последние годы и связанные с выяснением физиологии действия ретардантов, все еще не привели исследователей к единому мнению. Однако преобладает мнение о том, что ретарданты действуют на растения, влияя на метаболизм природных гиббереллинов. Например, Даал О'Джузеппе [см. Zeevaart, 1966] считает, что ингибирующее действие ретардантов связано с подавлением синтеза эндогенных гиббереллинов. Стоддарт [Stoddarl, 1965] же считает, что оно связано с блокированием синтеза структурных полисахаридов и белков. На антагонистическое действие ретарданта ССС по отношению к гиббереллинам и торможение биосинтеза эндогенных гиббереллинов указывают Либберт и Крелл [Libbert a. Krell, 1966]. Зеварт [Zeevaart, 1966], Михневич [Michniewlcz, 1967], Шебанек [Sebanek, 1968], Гамбург [1971], угнетающее действие ССС также связывают с торможением синтеза эндогенных гиббереллинов. Щербаков [1969] главную причину специфического ингибирующего действия ретарданта ССС усматривает в снижении уровня гиббереллинов, выступающих в роли стимуляторов синтеза ИУК из триптофана. Исследованиями Турковой и Калининой (1970) установлено, что под влиянием ретарданта ССС в тканях стеблей идет снижение РНК.
В настоящее время механизм действия ретарданта ССС мало изучен. Однако ростингибирующий эффект остается неоспоримым. Действие ретардантов проявляется в ингибировании линейного роста стеблей. Они уменьшают вытягивание междоузлий и тем самым увеличивают прочность стебля. Одно из возможных направлений в использовании ретардантов — это предотвращение полегания хлебов [Stoodart, 1965; Прусакова и др., 1967; Чайлахян и др., 1966, 1967, Brian, 1966, Sebanek, 1968, Харанян, 1967]. Тем не менее ингибирующие свойства ретардантов стали широко использовать и на других сельскохозяйственных культурах, обладающих сильным ростом стеблей и побегов.
4 Исследованиями Модлибовской [Modlibowska, 1965] установлено, что обработка одно- и двухлетних саженцев груши раствором ретарданта ССС уменьшила длину побегов и увеличила число плодовых почек, а так же морозостойкость побегов. У сеянцев персика и абрикоса в опытах Некрасовой и Чайлахяна [1968] внесение раствора ретарданта в почву приводило к стимуляции роста боковых побегов как при низких, так и при высоких концентрациях, а у сеянцев лимона вызывало усиление плодоношения.
Приведенный краткий обзор показывает, что в современной физиологии растений, учение о фитогормонах — это одна их интенсивно развивающихся областей знания. Однако многие вопросы, связанные с гормональной регуляцией роста и развития многолетних, древесных и кустарниковых растений, по настоящее время остаются мало изученными. Всестороннее изучение гормональной регуляции растений имеет большое теоретическое и широкое практическое значение. В связи с этим нами было предпринято настоящее исследование, основной целью которого явилось изучение роли регуляторов роста в вегетативном размножении, росте и плодоношении виноградной лозы и плодовых пород, произрастающих в Армении. Для выяснения роли регуляторов роста в процессах роста и развития виноградной лозы, нами были изучены такие вопросы, как: 1) влияние ауксинов, витаминов и стимуляторов роста, выделяемых бактериями, на укоренение черенков,
- влияние регуляторов роста на развитие саженцев и кустов,
- влияние регуляторов роста на плодоношение, 4) влияние гиббереллинов на содержание ауксинов, дыхание и другие физиологические процессы. Изучение перечисленных вопросов дало нам возможность обосновать практическое применение регуляторов роста в размножении, росте и плодоношении виноградных растений.
Для выяснения роли регуляторов роста в вегетативном размножении плодовых пород и их плодоношении были изучены следующие основные вопросы: 1) влияние эндогенных и экзогенных регуляторов роста на корнеобразование черенков, 2) физиолого- биохимические особенности плодовых пород, различающихся по особенности регенерации корней, 3) влияние регуляторов роста на плодоношение.
При изучении этих вопросов особо важное значение уделялось выяснению роли эндогенных регуляторов — ауксинов и ингибиторов в укоренении черенков плодовых пород; взаимодействию экзогенных и эндогенных регуляторов в процессе корнеобразования черенков; образованию и изменению ауксинов и ингибиторов в побегах в годичном цикле развития плодовых пород. Результаты этих исследований также дали возможность обосновать практическое применение регуляторов роста в регуляции плодоношения и в вегетативном размножении плодовых пород.
