Цитокініни 1 983 гелстон а, девіс п, Сеттер р
цитокініни
Вище ми вже згадували, що поділ клітин в культурі рослинної тканини залежить від ауксину і інших чинників клітинного ділення, званих цитокининами. Такі ж контрольні механізми діють, ймовірно, при регулюванні розподілу і зростання клітин і в інших частинах зростаючого рослини, наприклад в бічних нирках.
Відкриття цитокінінів було пов'язано зі спробами індукувати поділ певних рослинних клітин, вирощуваних в культурі. Одна з таких спроб, прідпрінятая на початку 40-х років, полягала у виділенні незаплідненої яйцеклітини із зав'язі і (вирощуванні її в певному середовищі з метою отримання гаплоїдних зародків. Ця мета не була досягнута. Проте було встановлено, що зростання дуже молодих нормальних зародків стимулюється при додаванні до середовища молока кокосового горіха (рідкого ендосперму величезних насіння кокосової пальми), Оскільки ніякі поєднання відомих тоді факторів росту не давали такого результату, було ясно, що молоко кокосового горіха соді ржіт якусь речовину (або речовини), відповідальне за цей унікальний ефект. Тому кілька дослідників вдавалася до спроб виділити з молока кокосового горіха і охарактеризувати гіпотетичні фактори клітинного ділення.
До відкриття цитокінінів привели досліди Скуга і його співробітників з університету Вісконсіна, в яких вони намагалися індукувати поділ зрілих серцевинних клітин тютюну. У інтактних рослинах ці клітини збільшуються в розмірах, але ніколи не діляться. Однак при пересаджуванні на середовище, що містить ауксин і молоко кокосового горіха, вони починають ділитися. Відчуваючи різні сполуки, група Скуга виявила, що аденін в присутності ауксину має деяку стимулюючої клітинний розподіл активністю. Згодом були перевірені також нуклеїнові кислоти, до складу яких входить аденін. В результаті було встановлено, що ДНК, що міститься в одному старому зразку сперми оселедця, дала результати, кількісно переважали ті, які були отримані з аденін. Пізніше з'ясувалося, що будь-який зразок ДНК або навіть одного аденозину можна перетворити в надзвичайно активний матеріал, якщо автоклавувати його у відповідних умовах. Нове речовина, що утворилася в таких незвичайних умовах, було виділено та ідентифіковано як 6-фурфуріладенін. Через його високу активність при індукуванні клітинного ділення (цітокінеза) в серцевині тютюну (у присутності ауксину) ця речовина була названо кинетином.
Мал. 9.27. Структурні формули різних похідних аденіну з активністю, характерною для цитокінінів. Зірочкою позначені природні цитокініни
Після встановлення природи кинетина дослідники змогли зайнятися пошуками в рослинах інших подібних матеріалів. Виявилося, що незрілі плоди і розвиваються зерна злаків є багатими джерелами активності, що стимулює клітинний розподіл. В кінцевому рахунку з країн, що розвиваються зерен кукурудзи було виділено речовину, названу зеатин (рис. 9.27), яке за своєю структурою нагадувало кинетин. Ця речовина і близкородственное з'єднання ізопентеніладенін виявлені зараз у всіх перевірених рослинах. Такі сполуки, які отримали загальну назву цитокініни, зазвичай пов'язані з рибозой (рібозід) або з рибозой і фосфатом (Риботид). Встановлено, що стимулююча активність молока кокосового горіха обумовлена дією суміші багатьох з'єднань, серед яких цитокинин був ідентифікований як зеатін- рібозід. У наукових дослідженнях широко використовуються синтетичні цитокініни, такі, як кинетин і бензіладенін, тому що чим активніше природні цитокініни, тим важче їх отримувати.
Взаємодія цитокинина з ауксином
У присутності ауксину цитокиніни надзвичайно активні при індукуванні розподілу рослинних клітин в культурі тканин. Іноді вони стимулюють також розвиток нирок в нинішньому каллусе. Диференціація в культурі тканин залежить переважно від відносної концентрації присутніх ростових речовин. Висока молярне відношення цитокинина до ауксину призводить до утворення нирок. Якщо концентрації цитокинина і ауксину приблизно рівні, то стимулюється ріст недиференційованого каллуса. При високому відношенні ауксину до Кінетін спостерігається тенденція до ініціації росту коренів (рис. 9.28). У типових системах з клітинним розтягуванням, таких, як колеоптиль вівса і епікотіль гороху, кинетин зазвичай пригнічує стимульований ауксином поздовжній ріст і стимулює поперечний.
Мал. 9.28. Взаємодії кинетина і ІУК при утворенні каллуса і диференціації тканин в культурі тканин тютюну. Для максимального освіти тканин необхідна присутність ауксина і кинетина. При високому відношенні ауксину до Кінетін утворюються коріння, при високому відношенні кинетина до ауксину - пагони, а при рівних концентраціях переважає утворення каллуса. (Skoog, Miller. 1957. Symp. Soc. Exp. Biol. 11, 118-131.)
Виявлення взаємодії кинетина з ауксином зажадало систематичного вивчення інших фізіологічних систем, таких, як апикальное домінування, на яке, як відомо, впливає ауксин. При цьому було встановлено, що локальне нанесення кинетина на репресовані нирки усуває пригнічення і викликає зростання цих нирок (рис. 9.29). Було також показано, що гальмування росту бічних бруньок ауксином насправді обумовлено індукцією освіти в них етилену (див. Гл. 10). Разом з тим внесення цитокинина пригнічує синтез етилену. Розгортання молодого листя також стимулюється цитокининами.
Мал. 9.29. Усунення апикального домінування за допомогою кинетина. Нирка на рослині справа три дні тому була локально оброблена кинетином в концентрації 330 ч. На млн. (Sachs, Thimann. 1967. Amer. J. Bot. 54, 136-144.)
У дорослих рослин синтез цитокінінів відбувається головним чином в кореневій системі, звідки вони по ксилемі транспортуються в надземну частину рослини. Чим нижче на стеблі розташовані бічні нирки, тим далі вони від джерела ауксину, що знаходиться в апексі стебла, і тим ближче до джерела цитокінінів в коренях. Так як апекс рослини, який виявляє апикальное домінування, в процесі росту віддаляється від бічних нирок, останні починають розпускатися в результаті того, що цитокініни долає вплив ауксину. Антагонізмом ауксина і цитокинина пояснюється також освіту "ведьминой мітли" внаслідок повного усунення нормального пригнічення росту покояться нирок, відокремлених від апекса лише кількома короткими міжвузлями (рис. 9.30). У природі це відбувається тоді, коли гриб, индуцирующий освіту "ведьминой мітли", проникає в рослину і виробляє речовини з активністю, характерною для цитокінінів.
Мал. 9.30. 'Ведьмина мітла' на вербі виникає в результаті зростання численних бічних нирок, викликаного утворенням цитокинина проникли в рослину патогеном (пор. З рівномірним розташуванням гілок на дереві праворуч зверху). (З люб'язного дозволу W. A. Sinclair, Cornell University.)
Мал. 9.31. Однією з важливих функцій цитокінінів в рослині є уповільнення процесів старіння. Самі нижні первинні листя на рослині квасолі (Phaseolus vulgaris) зазвичай жовтіє і опадає, тоді як більш молоде листя розвиваються (рослина зліва). Нанесення цитокинина бензіладеніна на листя рослини, розташованого праворуч, сповільнило старіння, і листя зберегли свою зелене забарвлення. (З люб'язного дозволу R. A. Fletcher, University of Guelph, Canada.)
Як діють цитокиніни
За відсутності цитокинина синтез ДНК триває доти, поки в клітці є ауксин, але клітки при цьому не діляться. Цитокинин потрібно для деякого процесу, що відбувається після завершення реплікації ДНК, але до початку справжнього мітозу. Цим процесом може бути освіту необхідних для клітинного ділення білків, ймовірно, тих, які пов'язані з мітотичним апаратом. Дійсно, після додавання цитокінінів спостерігається поява різних білків, і це відбувається навіть тоді, коли синтез нової мРНК блокується інгібіторами. Тому цілком ймовірно, що цитокініни контролюють трансляцію предобразованной мРНК, продукти яких мають відношення до деяких аспектів клітинного ділення.
Інший ключ до механізму функціонування цитокінінів може лежати в їх структурі. Цитокініни споріднені компонентів нуклеїнових кислот. Фактично цитокинин можна виявити як одну з підстав, розташованих поруч з антикодоном в молекулах декількох тРНК, і в цьому положенні він, ймовірно, бере участь у зв'язуванні тРНК з рибосомами в процесі синтезу білка (див. Рис. 2.11). Однак з цього не можна зрозуміти, яким чином цитокиніни функціонують в якості гормонів, так як після нанесення на рослинну тканину вони не включаються як такі в тРНК. Швидше, вони розщеплюються до аденіну, який після включення в полінуклеотидних ланцюг модифікується шляхом приєднання бічного ланцюга - ізопентеніла. Проте структурна подібність цитокінінів з компонентами нуклеїнових кислот, а також характер їх дії на рослину свідчать про те, що цитокініни, можливо, грають якусь роль в синтезі білка. Дійсно, молекули цитокинина неміцно зв'язуються з рибосомами - тільцями, на яких в клітці синтезуються білки. Місцем зв'язку фактично служить білок, який сам з'єднаний з рибосомами. Цитокинин і зв'язуючий білок можуть бути частиною фактора ініціації, який бере участь в синтезі специфічного білка на рибосомах. Чи контролюють цитокиніни саме таким шляхом клітинний розподіл, а можливо, і інші аспекти клітинного метаболізму, залишається поки невідомим.
Так само, як і в випадку інших гормонів, функціонування цитокинина здійснюється, ймовірно, різними шляхами, що приводять до різних ефектів. Розглянемо, наприклад, яким чином цитокинин запобігає старінню листя. У присутності цитокинина рівні білка в листі вище, ніж в його відсутність. В цьому випадку цитокинин не прискорює синтез білка, а пригнічує його розщеплення. Як уже згадувалося, було показано, що цитокініни підтримує цілісність клітинних мембран. Як він виконує ці функції, в даний час невідомо. Але механізм стане ясним, коли ми дізнаємося більше про функціонування гормонів на молекулярному рівні.