Гаметициды и их применение в селекции

был обнаружен в заметных количествах [8]. Эта аминокислота принимает

участие в ряде общих реакций метаболизма: активирует дыхание растительных

тканей, регулирует поглощение кислорода, является донором NHz-групп при

синтезе некоторых аминокислот и стимулирует синтез хлорофилла [8]. Про-лин

относят к числу характерных аминокислот щелочных ядерных белков-гистонов и

протаминов, несущих генетическую функцию в поддержании определенной

структуры ДНК [9]. Влияние этой аминокислоты на активность генома связано с

критическими этапами в развитии, когда незначительные структурные

перестройки могут иметь решающее значение. Исключительно высокое содержание

пролина в тканях гаме-тофита обусловливает определенную физиологическую

«нагрузку», которую он выполняет в процессах формирования пыльцы.

В пыльце диплоидных сортов содержание пролина в два раза выше, чем в

пыльце триплоидных, имеющих пониженную трертильность [8]. Эти данные

свидетельствуют, что пролин .занимает особое место среди других аминокислот

при форми-2—10287 17

ровании пыльцы и, возможно, является определяющим метаболитом нормальных

физиологических процессов.

Пролин пыльцы, по-видимому, вовлекается в самые ранние фундаментальные

реакции гаметогенеза, и его дефицит в пыльниках может иметь прямое

отношение к абортивности пыльцы. Содержание пролина начинает .снижаться на

стадии мейоза и становится прогрессивным к периоду интерфазы микроспор,

когда уже наблюдается дегенерация пыльцевого зерна. Дефицит пролина — это

следствие некоторых дефектов в мейозе или в предшествующей стадии

микроспорогене-за [118]. Параллельно накопление глутаминовой кислоты в

стерильных пыльниках свидетельствует о торможении процессов превращения ее

в пролин, предшественником которого она является. Относительно высокое

содержание аспарагина в пыльниках растений с мужской стерильностью также

обусловлено метаболическими отклонениями.

Индукция мужской стерильности вносит свои коррективы в биосинтетические

процессы не только генеративных органов, но и всего растения. Общее

содержание аминокислот в семенах и вегетативных органах стерильных растений

пшеницы выше, чем фертильных, на 8%, что можно объяснить спецификой

метаболической активности митохондрий стерильных растений [46, 63]. У

нормально развивающихся растений накопление свободного пролина начинается

после редукционного деления и осуществляется за счет притока пролина из

вегетативных органов [8].

Наблюдения за изменениями в динамике развития организма, происходящими

под влиянием веществ с гаметоцидной активностью во взаимосвязанной системе

ДНК—iPHiK—белок—аминокислоты, показали, что наиболее быстро и в

значительной степени изменяются активности энзиматических систем, затем

проявляются ответные реакции в обмене нуклеиновых кислот и белка и

относительно с большим опозданием осуществляются процессы, приводящие к

изменению соотношения свободных аминокислот, органических кислот и аммония

[98].

Многообразие действия хлорированных алифатических кислот на растительный

организм предполагает возможность индуцирования мужской стерильности путем

блокирования .разнообразных метаболических путей.

Попытки связать механизм избирательного действия были сделаны при

изучении ряда хлорированных производных али-фатических карбоновых кислот,

проявивших гаметоцидные свойства. Одним из предполагаемых механизмов

селективного действия ар-дихлоризомасляной (FW-450) и трихлоруксус" ной

(ТХУ) кислот считают торможение ферментативного син-

18

теза пантотеновой кислоты из пантоевой и (3-аланина [20]. Физиологическая

роль пантотеновой кислоты связана с тем, что она является функциональной

группой конденсирующего фермента КоА. Хлорированные алифатические кислоты

выступают антиметаболитами р-аланина, поэтому синтез цантотено-вой кислоты

является одним из чувствительных метаболических путей к этой группе

соединений. Действие FW-450 определяется конкуренцией с 2,4-диокси-р-

метилмасляной кислотой за локус, специфически активирующий фермент.

Аналогичный эффект отмечен при действии 2, 3, 3-трихлормасляной к 2, 3-

дихлормасляной кислот. Недостаток рибозы (одного из компонентов КоА)

повышает токсичность FW-450 и этрела. Исследования гербицидного действия

производных алифати-ческих карбоновых кислот показали, что эффект

применяемых соединений обусловлен нарушением синтеза КоА. В результате

возникает дисбаланс в соотношении ряда аминокислот трикарбонового цикла.

При этом снижается количество лимонной и возрастает содержание яблочной

кислоты, происходит более интенсивный синтез р-аланина и аспарагиновой

кислоты.

В настоящее время преждевременно судить об определенной специфичности

действия конкретных гаметоцидов, о «месте первичного действия» соединения.

Возможно, механизм гаметоцидного действия определяется конкуренцией между

веществом, обладающим гаметоцидньши свойствами, и определенными

естественными метаболитами тканей генеративных органов.

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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6