Гаметициды и их применение в селекции

| Категория реферата: Рефераты по ботанике и сельскому хозяйству
| Теги реферата: создание реферата, доклад на тему
| Добавил(а) на сайт: Polichev.

На основании исследований конкуренции между пантоте-натом и далапоном появилась возможность предсказать новые аналоги пантоата в виде хлорзамещенных алифатаче-ских кислот. Были синтезированы 4 соединения, биологическая активность которых (в данном случае гербицидная) варьировала в зависимости от степени хлорирования и место
[pic] положения хлора: (далапон); при кон центрации 0,005 М активность далапона составляла 76%, при 0,05 М—99%.
У соединения активность при тех же
[pic] концентрациях составляла соответственно 77 и 100%.

19
[pic] проявляли фитотоксический эффект: при концентрации 0,05 М он был равен 97 и
12%, при 0,05 М — соответственно 100 и 83%.

Таким образом, степень биологической активности препарата не имеет прямо пропорциональной зависимости от концентрации вещества, что свидетельствует о сугубо физиологической активности соединения, связанной с особенностями метаболизма растения.

В исследованиях по биохимизму действия ряда гербицидов установлено существенное влияние их на трансформацию энергия в клетке, повышение интенсивности окислительных процессов и угнетение фосфорелирования в митохондриях [10, 14, 21, 23]. Нарушение сопряженности окисления и фосфорелирования — результат угнетения активности многочисленных ферментов цикла Кребса и дыхательной цепи мито-хондрий. Получены дополнительные сведения о гербицидах, обладающих одновременно и гаметоцидной активностью.
В частности, при нанесении далапона на растения люпина .изменялось соотношение сульфгидрильных и дисульфидных групп, входящих в состав активных центров многочисленных энзимов, участвующих в разнообразных ферментативных комплексах [13]. Кроме того, установлено повышенное содержание изофлавоновых глюкозидов и изменение их состава при o6pai6oTKe растений 2,4Д [22].

Появление хинонов — продуктов окислительного превращения фенольных соединений с высокой биологической активностью и их взаимодействие с амино- и сульфгидрильны-ми группами белков, сульфгидрильными группами аскорбиновой кислоты и другими SH-содержащими компонентами клетки обусловливают блокирование целых систем энзимати-чески взаимосвязанных комплексов. От окислительно-восстановительных условий и энергетических возможностей ткани, особенно спорогенной, зависят синтез и обмен важнейших органических соединений.
20
Характерными признаками ЦМС у сорго являются угнетение окислительно- восстановительных процессов и снижение энергетического обмена [41].
Различия в активностях АТФ'азы обнаруживались у стерильных аналогов уже в фазе тетрад и сохранялись в дальнейшем на всех фазах развития микроопор
[16]. Среди соединений с гаметоцидными свойствами 2,4Д снижает содержание
АТФ и АДФ — адениннук-леотидов, основных аккумуляторов энергии в клетке.
Установлено, что 2,4Д ингибирует активность аденилаткиназы — фермента, осуществляющего равновесное соотношение компонентов аденилатного пула: 2
АДФ ^ АМФ+ДТФ [21].
Растительные гормоны, проявившие гаметоцидные свойства (2,4Д, ИУК, НУК,
ГКз и т. п.), могут индуцировать мужскую стерильность на тех уровнях метаболических процессов, на которых они оказывают свое регуляторное действие: на уровне генома, мембран, аллостерического эффекта. Возможно и одновременное влияние их на разные уровни, но во всех случаях отмечена взаимосвязь физиологически активных веществ, к которым относятся гаметоциды, с изменениями в энергетическом обмене клетки.

Существование специфических рецепторов в клеточных структурах и мембранах, способных обратимо связывать ауксины [25], может служить молекулярно-биологической интерпретацией действия ряда соединений, проявивших гаметоцид-ную активность на различных культурах и относящихся к ауксинам (ИУК, НУК, 2,4Д, Г.Кз, кинетин и др.) [11, 12, 14, 17, 58, 135].

Отмечено, что растительные гормоны (2,4Д, ИУК, ГКз), вызывающие при определенных концентрациях различную степень индукции мужской стерильности, влияют на активность энзимов, связанных с метаболизмом углеводов, определяющих структуру клеточных оболочек, с такими как р-1,4-глюканаза, р-
1,3-глюканаза, (3-1,6-глюканаза я гемицеллю-лаза, а также а-1,3- и а-1,6- глюканазы [73, 99, 136]. Повышение активности глюканазных энзимов взаимосвязано с процессами деструкции их субстратов, а следовательно, и с изме-нениями в каллозной оболочке материнской клетки пыльцы и формирующихся тетрад, так как она является Р-1,3-свя-занным полимером глюкозы.
Установлено, что ИУК и 2,4Д способствуют увеличению р-1,3-глюканаз'ной активности, в результате чего разрываются перекрестные связи в пределах клеточных стенок и оболочек, что обусловливает возрастание их эластичности и проницаемости [55].
Введение ИУК в растительную клетку повышает утилизацию глюкозы путем активации энзима УДФ-зависимой глю-кансинтетазы, локализованной в пределах аппарата Гольд-21 жи, что способствует формированию и повышенному содержанию глюканов, галактанов и пентозанов [42]. Подобным образом 2,4Д включается в один из уровней метаболизма клетки (через углеводы, путем активации плазменной, связанной с мембранами глюкансинтетазы), что способствует утилизации УДФ- арабинозы я увеличению количества связанных остатков арабинозы с галактаном
[136]. Повышение числа сшивок в молекулах галактана изменяет пластичность клеточных стенок. Вместе с тем аккумуляция 2,4Д в мембранах вызывает нарушение комплекса связанного с мембранами белкового фактора, который обусловливает активность PHiK полимеразы, транскрибирующей определенные мРНК [66].

В опытах по конкурентному вытеснению связанных эффек-торов (производные феноксиуксусной кислоты и ИУК) наглядно продемонстрировано, что связывание биологически активных хлорированных производных мембранами (эффектор- рецептор) носит специфический характер [14]. Изменяя функциональную активность мембран и связанных с ними энзи-мов, ауксины с гаметоцидными свойствами могут вызывать индукцию синтеза определенных мРНК, ответственных за •продуцирование ряда энзимов, среди которых имеются ферменты, преобразующие углеводные компоненты мембран и клеточных оболочек.
Возрастающая при этом проницаемость может вызывать нарушение селективной изоляция формирующихся тетрад с последующим их деградированием.
Предполагают, что каллозная оболочка функционирует как «молекулярный фильтр», позволяющий проникать внутрь материнских клеток пыльцы основным питательным элементам, за исключением больших молекул. Последние в эту раннюю фазу могут помешать установлению автономии ядра гаплоид-ной споры в пределах собственной цитоплазмы [98].

Химическая изоляция материнских клеток пыльцы в стадии тетрад от окружающей диплоидной цитоплазмы является необходимой предпосылкой нормального развития пыльцы [94]. Установлено, что меченый тимидин поступает в материнские клетки пыльцы только до формирования каллозной оболочки, но не проникает, если они заключены в каллозу [72]. При изменении последней и освобождении тетрад метка свободно поступала в микроспоры. Эти наблюдения позволили сделать вывод о функционировании каллозной оболочки как «молекулярного фильтра».

Каллозное покрытие материнских клеток пыльцы функционировало как молекулярное сито: каллоза пропускала глюкозу и углекислый натрий, но задерживала фенилаланин, размер молекулы которого гораздо меньше глюкозы и он 22 должен был бы легко проникать в материнские клетки пыльцы [123]. Выводы J.
Heslop-iHarrison и A. Mckenzie [72] также сомнительны, так как метка могла не включаться ввиду отсутствия синтеза ДНК. В других исследованиях показано, что роль каллозной оболочки значительно сложнее, чем «простого молекулярного фильтра» [4, 130].

ПОСТУПЛЕНИЕ В РАСТЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В НИХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ
ВЕЩЕСТВ

Для успешного поиска химических соединений, обладающих высокой селективностью гаметоцидного действия, необходима информация о поступлении и распределении экзрген-но наносимого на стебли и листья препарата. Степень поступления и скорость распределения химических соединений зависят от морфо- физиологических особенностей листовой пластинки, химических характеристик наносимого препарата, окружающих условий и других факторов. У различных видов культурных растений, с которыми проводили эксперименты с целью химической индукции мужской стерильности, в значительной степени варьирует толщина кутикулы и соотношение ее компонентов (воск, кутан, пектин, целлюлоза), а также внешняя эпидермальная оболочка [44, 56, 60, 65, 69,
75].

С помощью химических методов анализа исследовали ку-тикулярный слой листьев 24 видов овощных и плодовых культур [77]. Установлено разнообразие в составе и соотношении веществ листовой поверхности и значительные различия в толщине и составе мембраны кутикулы. Однако основные структурные компоненты кутикулы характерны для всех растений. Кут.ин представляет собой полимолекулярную сеть гид-рокси-карбокоильных кислот с простыми и сложными эфирными связями. С кутанным матриксом связаны полисахар.иды и кутикулярный и этикулярный воск, богатый алканами. Так как в кутикуле имеются полярные и неполярные группы, она обладает как гидрофильными, так и липофильными свойствами [45].

Одним из важных факторов, определяющих степень эффективности действия гаметоцида, является зависимость его. активности от климатических и погодных условий, которые необходимо учитывать при разработке доз и концентраций для конкретных возделываемых культур и представляющих их сортов. Однако до сих пор не удалось установить четких взаимосвязей между влиянием условий среды и проницаемостью листовой поверхности, хотя развитие кутикулы коррели-

23 рует с продолжительностью светового периода, инсоляцией, влажностью почвы и воздуха, температурой [81].

Температурный режим является одним ,из самых определяющих условий развития кутикулы и распределения наносимого препарата [83]. При нанесении препарата в разные фазы органогенеза следует учитывать, что с возрастом листа снижается абсорбционная способность. Р. М. Nelson и R. К. Reid fl05] доказали, что метиловые эфиры жирных кислот — Lg-ii вызывают гибель меристематических тканей, но не разрушают более зрелые ткани. Механизм такой селективности основан на способности кутикулы действовать как барьер проницаемости по отношению к наносимому препарату. Это было подтверждено разрушением кутикулы до нанесения эмульсии (4%-ный метил-деканоат+0,1%-ный твин 20). Гибель ткани (ожоги) — результат нарушения структуры мембран.
Авторы считают, что твин снижает проницаемость кутикулы и плохо проникает через кутикулу зрелых листьев.

Поверхностное применение гаметоцидных препаратов с использованием радиоактивной метки показало, что при нанесении на лист гаметоциды быстро транслокализуются в репродуктивные органы. Нанесение химикатов на базальную часть листа обеспечивало более полное поглощение препарата, чем на апикальную часть. В репродуктивных тканях активно аккумулировались гаметоциды.
Наиболее подробно абсорбционные особенности химических препаратов изучали на гербицидах. Детально были исследованы ответные реакции растений двух сортов капусты, характеризующиеся различной чувствительностью к нитрофе-ну
(2,4-дихлорфенил-р-нитрофениловый эфир) [113]. У обоих сортов не было обнаружено заметных различий в скорости прорастания семян, росте растений, плотности устьиц листьев и в транслокализации меченого '^С гербицида.
Однако у растений устойчивого к препарату сорта листья обладали более восковидной поверхностью, что позволило сделать вывод о корреляции между блокированием абсорбции и содержанием воска в кутикуле.
Проникновение соединений в ткани листа обусловлено и другими факторами, характеризующими применяемый раствор: температурой, концентрацией, продолжительностью времени его соприкосновения с поверхностью растений, поверхностным натяжением и др. Проникновение веществ возрастает пропорционально времени и концентрации. Поступление соединения из раствора в ткани листа осуществляется до тех пор, пока его доза на поверхности листа или под кутикулой не станет предельной. В полевых условиях эффективность действия и поступление нанесенного препарата зависят от
24 сложного взаимодействия климатических факторов и внутренних физиологических тканевых параметров (водный дефицит, значение рН в клетке, концентрация цнтоплазматиче-ского сока и т. д.).

В ткани листа легче проникают недиссоциирующие молекулы. Повышение температуры от 10 до 30° увеличивает проницаемость кутикулы и мембран, за исключением промежутка между 15" и 25°, в пределах которого поступление носит относительно стабильный характер. Если опрыскивание проводят под давлением, растворы проникают в основном через устьица, однако вещества с поверхностным натяжением, близким к поверхностному натяжению воды (70 дин/см2), через устьица не проникают ,[54].

При селективности абсорбции у наиболее распространенных видов сельскохозяйственных культур по отношению к 2,4Д (который обладает и гаметоцидными свойствами) установлено, что толщина кутикулы является решающим фактором, а толщина и структура оболочек эпидермальных клеток не имеют определяющего значения для степени абсорбции препарата. При этом абсорбционные характеристики старых и молодых листьев значительно отличались и в обоих случаях зависели от химических свойств препарата.

На проростках конских бобов поглощение листьями меченого по углероду
'^'^^-хлор-о-толил) окиси] бутиловой кислоты было одинаковым для листьев всех возрастов. Однако замена бутиловой кислоты на радикал уксусной кислоты вызывала различия в поглощении молодыми (скорее) и более зрелыми
(медленнее) листьями [92]. Таким образом, даже слегка измененная конфигурация молекулы может в значительной степени повлиять на ее способность проникать через мембраны [126].

Пока не установлено четкой взаимосвязи между химическими, физическими характеристиками и проницаемостью препарата в системе клеток.

С помощью энзиматически изолированной кутикулы листьев была создана шкала проницаемости кутикулы по отношению к ряду алифатических спиртов и их амидов [138]. Соединения выбирали по способности растворять липиды и по моле< кулярньш весам. Результаты опытов показали, что кутикула функционирует в основном как липоидная мембрана, позволяющая веществам проникать в клетку пассивной диффузией согласно их растворимости в липидах.
Модель молекулярного сита больше подходит для молекул малых размеров.
Коэффициенты проницаемости алифатических спиртов располагаются от этанола к пентанолу: этанол