Гаметоціди - хімічні сполуки, застосування. Яких у певні етапи розвитку рослин призводить до загибелі чоловічого Гаметофіт-та в результаті порушення метаболічних процесів в період формування пилкових зерен. Дія гаметоцідов на фізіолого-біохіміче-ські процеси в клітині аналогічно стерилізуючий цитоплазмі при переміщенні в неї ядра, що викликає чоловічу стерильність.
Дослідження, проведені в ряді країн, у тому числі і в СРСР, дозволили виявити ряд хімічних сполук, що індукують чоловічу стерильність у ярої та озимої пшениці, жита та інших сільськогосподарських культур. Використання гаметоцідов дозволяє організувати Промислове. Виробництво гібридного насіння зернових та інших сільськогосподарських культур. Однак отримані гаметоціди викликають ряд небажаних побічних явищ: значне інгібування росту, затримку 'в проходженні. Фенологічних фаз та д'р. Тому необхідний подальший пошук нових хімічних сполук, що мають гаметоцід-ної активністю.
.
ВСТУП
| Зростання народонаселення планети, необхідність підвищення темпів виробництва продуктів сільського господарства визначають пошук нових напрямків в селекції сортів і гібридів - основних засобів сільськогосподарського виробництва. Останнім часом широкі дослідження гетерозису пшениці, жита, ячменю, соняшника, цукрових буряків, бавовнику, ряду овочевих, баштанних, квіткових, декоративних культур і кормових трав показали, що гібриди першого покоління цих рослин забезпечують збільшення врожаю на 20-25% і більше за порівняно з районованими сортами [1,7, 35, 36].
Практичне використання гетерозисних ефекту можливе лише за умови добре налагодженого виробництва гібридне насіння в значному обсязі. У низки культур, що володіють високим коефіцієнтом розмноження насіння і низькою посівної нормою (кукурудза, томати та ін), виробництво гібридного насіння може бути організовано при ручному кастрації материнських рослин з наступним вільним або примусовим запиленням. Однак для більшості оброблюваних рослин цей метод непридатний, тому що витрати праці, необхідні для отримання гібридного насіння першого покоління, не окуповуються додатково одержуваної продукцією.
В даний час в результаті використання явища цитоплазматичної чоловічої стерильності (ЦМС) отримані гібриди першого покоління пшениці, сорго, кукурудзи, цукрових буряків, томатів, цибулі, солодкого перцю і налагоджено масове виробництво гібридного насіння. Близькі до завершення дослідження зі створення гібридів жита і соняшнику [35]. Поряд з цим при селекції з томатами намагаються застосувати форми з функціональної чоловічої стерильністю [36]. 'Створення чоловічих стерильних ліній, відбір ліній - закріплювачів стерильності і форм, які відновлюють фер-тільность, значно ускладнили ведення селекції я насінництва. Тим часом основним недоліком використання системи «ЦМС - відновлення фертильності» при отриманні нових гібридних комбінацій схрещувань є постійна необхідність створення стерильних аналогів та аналогів '- відновників фертильності нових високопродуктивних сортів і самозапилення ліній.
Порівняно недавно для індукції чоловічої стерильності на рослини в певні фази розвитку впливали різними фізичними факторами (скорочений світловий день, високі та низькі температури та ін) [2, 48, 97, 130]. Незважаючи на отримані позитивні результати »з огляду на відсутність технічних засобів для масового виробництва гібридного насіння ці прийоми не були впроваджені в практику.
• Певні успіхи у розробці методів чоловічої стерильності рослин були досягнуті за допомогою ряду хімічних сполук - розчинів солей феноксіуксусной кислоти, гідразіда малеїновий кислоти (ГМ1К), етрела, індо-лілуксусной кислоти (ІУК), нафтнлуксусной кислоти (НУК), гібереліни (ДКЗ) і деяких інших, названих гаметоцідамі. Цей термін - похідне від двох слів:
гамета - по-грецьки статева клітка, цідо - латиною вбивати. В даний час в ряді країн Європи і в США проводять дослідження з виявлення хімічних сполук, що мають гаметоцядной активністю до чоловічих гамет-фіту рослин, і розробляють способи їх застосування для масового виробництва гібридного насіння різних сільськогосподарських культур. Використання методів хімічної індукції чоловічої стерильності у зернових, технічних, овочевих та кормових культур дозволить отримати насіння гібридів першого покоління, залучаючи в селекційний процес найбільш досконалі сорту без створення їх стерильних аналогів і ліній, що несуть гени відновлення фертильності.
Подолання труднощів, що перешкоджають ефективному використанню гаметоцідов, значною мірою залежить від визначення суті процесу стерилізації, в основі якого лежать конкретні фізіолого-біохімічні зміни в тканинному метаболізмі спорогенеза, що викликають анормальну у розвитку пилкового зерна з наступною його абортивного. У зв'язку з практичними запитами фізіологія розвитку пилку привертає особливу увагу.
Цитологічні, цитохімічних І фізіолого-біохімічних досліджень формування чоловічих гаметофіту
Чоловічий Гаметофіт покритонасінних рослин - мікроскопічна структура, яка в період ранніх стадій розвитку оточена тканинами пильовика і безпосередньо контактує з клітинами тапетума, метаболізм яких тісно пов'язаний з розвитком пильцевьгх зерен, особливо в критичні періоди перетворення материнських клітин пилку в ГАП-лоідние мікроспорія. Так як найбільша ефективність дії гаметоцідов припадає на період формування зошити і пов'язана з біохімізмом їх розвитку, виникає необхідність у детальної інформації про ранніх фазах розвитку пилкового зерна в материнській клітині пилку.
За допомогою електронної мікроскопії встановлено, що до мейозу материнські клітини пилку в пильовика пов'язані між собою і з клітинами тапетума цітоплазматлческімі містками (плазмодесмамі) [5, 59]. Перед стадією лептотени профази 1 починаються перетворюючі процеси в оболонках і мембранах мікроспороцітов, які швидко обволікає шаром каллоза, що представляє собою (3-1,3-свя-занний полімер глюкози [130]. Це поєднання локалізується між оболонками материнської клітини пилку і клітинною мембраною. З початком стадії лептотени плазмодесми, що з'єднують клітини тапетума і мікроспороцітов, зникають. Шар каллоза продовжує товстішати, проте деякі райони оболонок мікроспороцітов не покриваються каллоза, тут сусідні материнські клітини пилку контактують один з, одним за допомогою широких цітоплазматічесііх перетяжок, названих цітоміксіческімі каналами [28] . У більшості видів рослин всі мікроспороціти мейотіческой профази взаємопов'язані. Така цитоплазматична спільність - найважливіший фактор підтримки тісному синхронності мейотіческіх стадій. Цітоміксіческіе канали починають зникати до кінця мейотіческой профази I, а в телофазе I їх кількість зовсім незначно, до початку ж профази II материнські клітини пилку повністю ізолюються один від одного каллознимі оболонками. Після мейозу каллоза утворює між чотирма гаплоїдний суперечками тонкий прошарок (стадія зошит), і кожна спору стає повністю ізольованою від інших. Припускають, що у формування каллозних оболонок залучений апарат Гольджі [137].
Процес формування оболонки пилкового зерна починається незабаром після завершення мейозу і протікає між клітинною мембраною я каллозной оболонкою в кожній суперечці тетради. Первинним матеріалом для побудови оболонки є прімекзіна. Після розвитку прдмекзіни синтезується попередник зрілої екзіни, морфологія якого. Залежить від його хімічного складу. За своїми властивостями ця речовина схоже з протоспорулліном. На даному етапі кал-Лозно оболонка зникає, суперечки швидко збільшуються в розмірах (у 3-5 разів) і інтенсивно синтезують спорополле-нін [70, 71]. Після звільнення із зошита в мікроспорія формується інтіна, що містить мікрофібрялли целюліт-5
зи, які утворюють матрикс з пектинові матеріалом, ге-міцеллюлозой і незначною кількістю білка. До повного дозрівання пилкові зерно покривається різними похідними що розпадається тапетума - каротиноїди, ліпідами, білками та іншими сполуками [130]. При подальших фазах розвитку пилку ефективність дії га-метоцідов знижується [47, 65, 75, 80, 102].
Ранні етапи розвитку пилку тісно пов'язані з функціональною активністю тапетума. Цитохимические і ультраструктурні дослідження свідчать, що тапетум функціонує як джерело живильного матеріалу при розвитку пилкового зерна. У покритонасінних встановлено два основних типи тапетума: гландулярний, при якому клітини в міру розвитку пилкових зерен дегенерують до П9лного автолізом, і амебоідний [76]. В останньому клітини втрачають свою оболонку, і протопластів тапетума розподіляється між країнами, що розвиваються пилковими зернами, утворюючи тапетальний періплазмодій [61]. Мембрани такого тапетума можуть проникати в екзіну пилку. Живильний матеріал транспортується з клітин та'петума (можливо, попередньо Метабо-лі'аіруется їм) до пилкових зернам. [62]. Взаємодія тапетума і розвиваються мікроопор максимально проявляється при розчиненні каллозних оболонок мікроспорія. Зникнення каллоза супроводжується розвитком каллазной активності. Ензим локалізована в везикул цитоплазми тапетума [130].
Дослідження (3-1,3-глюканазной активності протягом мей-Узза я розпаду зошити показало, що активність ензиму різко зростала, починаючи з II мейотдческого поділу, досягала максимуму в фазу звільнення мікроспорія із зошита і зберігалася потім протягом 48 год [82, 131]. Доказом взаємозв'язку між країнами, що розвиваються пилковими зернами і тапетумом, а також підтвердженням кардинальної ролі тапетума в освіті пилку служать роботи з ЦМС [59, Gl, 62, 76].
У зв'язку з тим, що застосування гаметоцідов має на меті індукцію чоловічої стерильності рослин, для з'ясування можливих механізмів дії речовин з гаметоцід-'ной активністю необхідна порівняльна оцінка та аналіз морфологічних, цитологічних та фізіолого-біохіміче-ських відмінностей фертильних рослин і ліній з ЦМС. Порівняльна анатомія і біохімія тканин пиляків нормальних і стерильних рослин свідчать, що абортивного розвиваються пилкових »х зерен є результатом включення або виключення більш ніж одного механізму, а також порушень регуляторних процесів на різних рівнях 6
контролювання метаболічних шляхів [62, 94, 98, 111]. Відзначено, що у всіх вивчених ліній з ЦМС 90% рослин обла ^-дали нормальним ходом мікроспорогенеза до певної фази, на якій починалася абортивного пилку, і лише у 10% рослин анормальну виявлялася ще до стадії, обумовлює абортивного в результаті більш ранніх порушень нормальних метаболічних циклів. У більшості видів (близько 70%) деградація мікроспорія припадала на період, починаючи з мейозу 1 і включаючи інтерфазу мікроспорія [94].
Однією з причин, що викликають ЦМС рослин, є функціональні порушення в метаболізмі тапетума. Ретельне вивчення цієї тканини у фертильних і стерильних ліній, а також у відновників фертильності сорго показало, що у фертильних ліній після мейотіческой профази I тапетум швидко зменшувався в радіальної протяжності [52]. У стерильних пильовика радіально розширений тапетум обумовлює абортивного мікроспорія, і період його розростання припадає на стадію вакуолізація мікроспорія. Тапетум стерильних пиляків по протяжності (у ширині) і морфології має більш широку шкалу мінливості, ніж у фертильних ліній. 'Розміри ширини тапетума стерильних пиляків пов'язують з дегенеративними процесами в мікроспорія [62, 109, 111].
• При цитологічних дослідженнях клонів їжаки збірної з ЦМС не було відзначено відхилень у розвитку пильовика протягом архіспоріальной стадії та стадії материнської клітини пилку в порівнянні з нормальними рослинами [94, 117]. Перші ознаки відмінностей у розвитку з'являлися в початкові фази мейозу, що виражалося в руйнуванні деяких мікроспороцітов, в результаті чого утворювався малу кількість зошитів у рослин з ЦМС. Одночасно у стерильних рослин спостерігалося більш швидке дегенерірова-ние тапетума, ніж у фертильних. При порівняльному дослідженні мікроспорогенеза та розвитку пилку у фертильних і стерильних рослин льону встановлено, що стерильність пилку у цієї рослини досягалася анормальних розростанням клітин тапетума, які повільно дегенерував в порівнянні з тапетумом фертильних рослин, у яких величина цієї тканини швидко зменшувалася, особливо після стадії зошит. Очевидно, передчасне або пізніше включення деградатівньгх механізмів тапетума може бути причиною функціональної чоловічої стерильності. У різних видів рослин ці механізми мають свій специфічний характер, що необхідно враховувати при підборі гаметоцідов, їх доз і строків обробки.
• Цитологічні дослідження пшениці показали, що на клітинному рівні ЦМС виражається у зменшенні розмірів і числа органел, що характеризуються низькою фізіологічною активністю і досить швидким дегенерірованіем [59]. У фертильних пилкових зерен органели клітин рясні.
Різний рівень метаболічної активності тапетума в нормальних і стерильних пильовика і тривалість його функціонування контролюється цитологами реакцією Фельгена. Ядра клітин тапетума нормальних пиляків інтенсивно фарбуються до формування материнської мікроспорія, після чого забарвлення прогресивно зменшується в міру коллапсірованія тапетума. У тканинах тапетума стерильних пиляків фарбування ядер продовжує здійснюватися інтенсивно після формування зошити і трохи знижується в процесі розвитку мікроспорія [94]. Отже, функція тапетума нерозривно пов'язана з його певною роллю при абортивного мікроспорія. У нормальних пиляків тапетум одержує необхідний поживний матеріал, що поставляється рослиною, і перетворює його для формуються мікроспорія, що підтверджується надходженням картоплю-ген-позитивних речовин в материнську мікроспорія під час мейозу [93]. Тапетум стерильних пиляків має більш низький рівень метаболічної активності, про що свідчить як низька ензиматичні активність, так і зміна надходження Фельген-позитивного матеріалу в спорогенние клітини в критичні періоди їх формування.
У процесі 'хімічної індукції чоловічої стерильності може відбуватися включення тих самих механізмів, що і пр.і абортивного чоловічого гаметофіту стерильних аналогів, де стерильність обумовлена ЦМС. Обробка рослин коріандру, вікі та цибулі 0,01%-им розчином ГМК викликала 100%-ву стерильність у всіх трьох рослин [60, 89, 90]. Після нанесення гаметоціда на рослини коріандру тапетум збільшувався і існував аж до стадії вакуолізація мікроспорія. У контрольних рослин тапетум дегенерував після мейозу. У цибулі Г1МК, включався в процеси формування пилку, сприяючи передчасного дегенерірова-нію спорогенной тканини і материнських клітин пилку. У коріандру хімічна індукування чоловічої стерильності виявлялося цитологічних - розмір ядер не змінювався, а клітини тапетума значно видовжувалися.
Припускають, що втручання різних факторів в метаболізм клітин тапетума призводить до деградації і'х вмісту і, в першу чергу, дезокоірібозідов - основ-
8
ного синтетичного пулу ДйК, необхідного для нормального розвитку материнської клітини пилку і мікроспорія. Порушення діяльності тапетума при снабжеаіі живильним ^ матеріалом спорогенной тканини, викликане різними причинами, обумовлює початок процесів деградації материнської клітини пилку [134, 137].
Цитологічні дослідження пиляків рослин з АУК-син-індукованої стерильністю, вирощених при тривалому освітленні, показали, що хімічні та фізичні фактори можуть сприяти передчасному де-генерування тапетума з наступним зниженням нормального пересування живильного матеріалу до спорогенной тканини. В процесі нормального розвитку пилку в початкових (самих ранніх) етапах мікроспорогенеза тканини тапетума розростаються і тільки після завершення формування мікроспорія в материнській клітині пилку дегенерують. При гормон?? льно індукції чоловічої стерильності гібереліни (ДКЗ) і в умовах тривалого природного освітлення
• відзначена зворотна кореляція у взаємодії мікроспорія. І тапетума. Більшість мікроспорія стають великими, сильно вакуолізірованньші, з ядром, притиснутим до клітинної. Стінці. Клітини тапетума утворюють щільну оболонку навколо
• порожнини пилкового мішка. Частина мікроспорія дегенерують до вакуолізація, але більша їх кількість абортіруется при цвітінні [94].
Аберація мікроспорогенеза в результаті продовженого дня, мабуть, пов'язана з раннім розпадом клітин тапетума. Подібний ефект може бути досягнутий шляхом обробки ауксини, висока концентрація якого виявлена в тканинах рослин при тривалому фотоперіоде [78]. Це підтверджує гіпотезу про вплив фотоперіода на підлогу шляхом регуляції метаболізму ауксинів в рослинних тканинах [84, 88].
Вважають також, що порушення функцій тапетума в харчуванні, що розвиваються мікроспорія не є безпосередньою і єдиною причиною абортивного пилку [46, 107].
При порівняльних дослідженнях пилку і розвитку
• пиляків ліній пшениці з ЦМС і нормальних рослин встановлено, що деградатівние процеси в розвиваються пилкових зернах починаються з незбалансованого надходження поживних речовин у тапетум в результаті порушень функціональної активності васкулярній системи тичіночних ниток [31, 32, 87]. Останні у стерильних рослин мали слабо диференційовані васкулярній тяжі (або вони були відсутні), у той час як у нормальних тичинок судинні елементи були добре диференційовані на
9
ксиліт і флоему. Спостерігається зниження акумулювання крохмалю в тканинах тапетума і відсутність запасного крохмалю в зрілих мікроспорія є наслідком редукції пересування розчинів (зокрема вуглеводів) у тичинки стерильних рослин [87]. Порушення структури васкулярній елементів при дії речовин з гаметоцідной активністю може бути одним з аспектів їх дії, тим більше, що обробка гаметоці.д 'а'мі, як правило, супроводжується зменшенням розмірів пиляків і довжини тичіночних ниток [20, 59].
Передчасне деградування тапетума 'або. більш тривале існування інтактних клітин тапетума в пильовика з чоловічою стерильністю, індукованої хімічними препаратами, очевидно, є результатом взаємозв'язку хімічно активних речовин з деградатівнимі ензимами (несвоєчасна їх індукція або блокування) [56, 60, 74].
При дослідженні причин абортивного пилку встановлено підвищення активності кислих фосфатаз в тканинах нормальних пиляків до стадії зошити, після якої активність ензімтав різко знижувалася з подальшим дегенерірова-ням тапетума [56]. У тканинах стерильних пиляків активність ензимів була набагато нижче, і набряклий тапетум розчавлювали мікроспорія [82].
. Подібний дисбаланс у ензиматичного системі стерильних пиляків був відзначений S. Izhar і R. Frankel [82] при порівняльному вивченні каллазной активності. У зв'язку з тим, що період розвитку каллазной активності чітко встановлений в часі і має певний оптимум кислотності (р.н 5), автори виміряли in vivo pH різних стадій мікроспорогенеза. У фертильних пиляків аж до пізньої стадії зошити р.н становила близько 7, потім знижувалася до 6, що супроводжувалося розчиненням каллоза. У пильовика рослин ліній з ЦМС pH зазвичай або низька - тоді ензиматичні розпад каллоза материнської клітини пилку починається раніше нормальних строків, або висока - тоді спостерігається сильна активність ензиму, починаючи з профази 1 протягом всього мейозу, викликаючи цитологічні порушення. Передчасне підвищення каллазной активності може бути причиною негайного руйнування материнської клітини пилку. Гальмування енеіматіческой активності кал-лази блокує розпад каллозной оболонки материнських клітин пилку, в результаті мікроспорія втрачають свої нормальні обриси і деградують.
Ці дослідження дозволили виявити нові причини абортивного пилку і показали, що в основі індукції чоловічий
10
стерильності лежить дисбаланс у чітко скоординовані біохімічних реакціях і порушення в послідовності - ". нзіматіческіх циклів. Зміна чіткого ритму ензиматичного активності каллази призводить до деградації, що розвиваються мікроспорія [2, 3, 4]. Експериментально встановлено, що період формування зошити є найбільш ефективним для застосування препаратів з гаметоцідной активністю.
. Можлива участь гаметоцідов в процесах, що обумовлюють гальмування або. Передчасне звільнення мікроспорія з материнської клітини пилку, ймовірно, пов'язано з впливом сполук з гаметоцнднимі властивостями на рівні ензиматичного активності каллази. Своєчасна індукція і розвиток каллазной активності - критичний період для нормального розвитку чоловічого гаметофіту.
Для успішних пошуків нових речовин, що володіють гаметоцідной активністю, необхідно мати у своєму розпорядженні достатньої інформації про метаболізм спорогенной тканини і тапетума, а також про взаємозв'язок вх обміну. Електронно-мікроскопічні спостереження показали, що за нормальної метаболічної взаємозв'язку між клітинами тапетума і розвиваються пилковими зернами не спостерігається ніяких аномалій [78]. Згідно з наявними даними важко визначити, тапетум або спороціти є 'ініціатором-в порушенні взаємозв'язку.
Одним з можливих шляхів з'ясування механізму індукції чоловічої стерильності є дослідження біохімічної активності тканин. При дослідженні пиляків і екстр-актів листя пшениці встановлено, що чоловіча сте 'рільность пилку супроводжується репресією активності термінальних оксидаз. Рівень активності цітохромоксіда-зи в тканинах фертильних рослин в порівнянні зі стерильними набагато вище [18, 27]. Подібне явище відзначено в тканинах рослин з генетичної чоловічий стерильністю [46]. Цитохромоксидази - невід'ємний компонент мито-Хондрит, тому низьку активність дихальних ензимів рослин з ЦМС можна пояснити дисбалансом мітохондрій-альних ензиматичних систем [128].
Мітохондрії, виділені з стерильного матеріалу (паростки пшениці з ЦМС), характеризувалися більш високою окисної фосфорілазной активністю, ніж мито-Хондрит з проростків з нормальною цитоплазмою [129]. Біохімічні дослідження і спостереження електронної мікроскопії підтвердили, що чоловіча стерильність тісно пов'язана зі зміною функціонального стану цих структур клітини (15, 16, 63]. Відновлення фертильності в лініях
11
з ЦМ'С супроводжується одночасним усуненням відхилень у структурі цитоплазматичних органел і різних порушень в метаболічних процесах [27, 46]. Отримані додаткові докази на підтвердження гіпотези, що зміни в метаболізмі мітохондрій пов'язані з механізмами індукції чоловічої стерильності. Передбачається, що включення останніх викликає репресію синтезу білків внутрішньої мембрани мітохондрій [63, 114].
Однак було б помилкою вважати, що тільки функціональна активність мітохондрій є основою виникнення цитоплазматичної чоловічої стерильності. Її індукція базується на змінах у широкому діапазоні біохімічних реакцій, що обумовлюють порушення в молекулярних компонентах різних клітинних структур і цитоплазми, що супроводжується появою білків з анормальне Ен-зіматіческой активністю. В результаті цих змін виникає дисбаланс у ензиматичних системах або ж повна їх блокування [8, 15, 20,82].
Для отримання ЦМС шляхом хімічної індукції у сільськогосподарських культур необхідно детальне вивчення метаболізму ДНК, РНОК і білка в стерильному і фертильному матеріалі з цитологічним і цитохімічним зіставленням отриманої інформації. Зміни в змісті ДНК, РНК і білка в пильовика кукурудзи вивчали методами цітохіміі і мікроденсітометріі [101]. У процесі спорогенеза розрізняли три піки інтенсивного синтезу нуклеїнових кислот. Перший пік відповідає премейотіческому періоду і ранньої профазі, другий - припадає на інтервал між пізнім мейозом і стадією зошити, третій (найменший) - відповідає періоду, що передувало мітозу мікроспорія. Протягом першого піку встановлена найвища швидкість зростання спорогенной тканини і тапетума за активної синтезі молекулярних компонентів в обох тканинах. У другому піку активний синтез ДНК, PlHiK і білка здійснюється в основному в тканинах тапетума. Гальмування зростання і паралельно синтезу цих молекулярних структур у спорах починається в період третього піку, при дегенерірованіі тапетума. В даний час тапетум розглядають як можливе джерело попередників нуклеїнових кислот для формуються мікроспорія, які отримують матеріал для синтезу у формі розчинних попередників або у формі ДНК з низькою молекулярною вагою [111, 130].
Основна акумуляція PlHiK в спорогенной тканини відбувається протягом мейотіческой профази, включаючи стадію па-хітени материнської клітини пилку. У тканинах тапетума накопичення РНК припадає на той же період (профази-зи-12
готена-пахітена) [98]. Таким чином, відразу після синтезу ДНК на ранніх етапах спорогенеза до мітозу в мікроспо-пах продукується РНК спорогенной тканини, причому 75% стане в нагоді на рибосомальних РНК - на форми 16S і 28S. Акумулювання форм p: PHiK 4S і 5S здійснюється інакше, ніж основних форм pPlHK, і пік їх акумуляції спостерігається в кінці інтерфази мікроспорія [112].
У пилкової зерні основний синтез PHiK, ДНК і білка відбувається на більш пізній стадії - після мітозу в мікроспорія. . У цитоплазмі пилкового зерна синтез усіх форм РНК поліостью припиняється в останні 48 годин формування пилку [94]. Біосинтез нуклеїнових кислот і процеси, пов'язані з їх обміном, зазнають певних змін під впливом сполук з гаметощіднимі властивостями.
Встановлено, що у фертильних суцвіть кукурудзи інтенсивний синтез ДНК здійснюється на ранніх етапах мік-роспорогенеза, але в міру завершення формування пилку настає гальмування синтетичних процесів [20]. При обробці рослин гаметоцідамі (0,15%-им розчином три-атаноламіновой солі ГМК або 0,8%-вим розчином натрієвої солі сф-діхлорізомасляной кислоти (FW-450), комбіновано 0,8%-вим розчином FW-450 і 0 , 1%-им розчином гнбберелліна) вміст ДНК на всіх етапах формування пилку трохи збільшилося незалежно від застосовуваного гаметоціда. Це пояснюється гальмуванням клітинного розтягування під впливом обробки гаметоцідамі, в результаті чого зменшуються розміри клітин в спорогенной тканини та перерахунок на взяту навіску дає підвищений вміст ДНК, не пов'язане з процесами акумуляції нуклеїнових кислот [34].
Комбінована обробка з гібереліни (FW-450 + + гіберелін) викликає якісні зміни в молекулах ДНК, що призводить до порушень мітозів і деградації ядра. Відзначено, що розчини ГМК і FW-450 по-різному впливають на інтенсивність біосинтезу РНК у чоловічих репродуктивних органах кукурудзи [26]. Паралельно було встановлено, що форми прояву стерильності (морфологіче-скіе_йзмененія) знаходилися в залежності від застосовуваного речовини. Застосування ГМК на кукурудзі викликало гальмування освіти РНК, і гаметоцід виступав тут як інгібітор синтезу РН.К, обумовлюючи гальмування клітинного подовження. Морфологічно це виражалося у зменшенні розмірів суцвіть, відсутності в більшості випадків колосків на латеральних гілочках і в редукції листя. Спори-генні тканини або зовсім не формували пилку, або вона була нежиттєздатна. Дія FW-450 при даній концен-
13
траціі'не викликала значних змін у синтезі ДНК і PiHK, процеси спорогенеза в кукурудзи протікали нормально [20, 26].
У фертильних рослин високий вміст PiHIK зазначено на більш ранніх етапах формування пилку я подальший синтез РНК здійснювався більш активно [94, 98, 137].
Специфічність дії гаметоціда обумовлена різними факторам.і: близькістю його хімічних характеристик до аналогам синтетичних пулів клітини; можливістю енеіматіческого перетворення в клітинній системі в субстрат-подібний продукт мул, і в активний проміжний метаболіт певних енздматіческіх систем; наявністю гормональних властивостей або конформаційної подібності з молекулами індукторів 'або репресор. Вплив препаратів з гаметоціднимі властивостями пов'язано з фізико-хімічними характеристиками сполук (висока електрофільні, здатність до хелатірованію і т. д.), в результаті яких можуть змінюватися р1Н клітини і 'іонна сила в критичні стадії розвитку спорогенной тканини [82].
Дослідження впливу етрела на мейотіческіе процеси в спорогенной тканини пиляків пшениці Triticum aestivum L. показали, що індукція чоловічої стерильності пов'язана з розпадом етрела в рослинних тканинах з виділенням етилену, молекули якого володіють гормональними властивостями [47, 97]. Припускають, що етилен, як і багато гормонів, впливає на функціональний стан мембран, змінюючи активність РНК полімерази. Таким чином він може впливати на процеси транскрипції, особливо ділянок ДНК, відповідальних за синтез довгоживучих мРНК, транскрибуються до мейозу, але необхідних для нормального перебігу мейотіческіх процесів [58, 98].
'В результаті можливих порушень у синтезі різних форм PlHiK при включенні гаметоціда в метаболізм клітини неминуче виникають анормальну у синтезі білка. У нормально розвивається спорогенной тканини і в мікроспорія активний синтез білка припадає на ранню мейотіческую профазу, його активність дещо знижується в зіготене - пахітене і зовсім незначна в період формування зошити [101]. Тапетум як тканина проявляє дуже високу метаболічну активність протягом усього періоду мікроспо-рогенеза аж до повного автолізом, тому відводити Тапе-ТУМу тільки секреторну роль - значить обмежити його різноманітні фізіологічні функції [108]. Відзначено, що пул ДНК тапетума недостатній, щоб служити джерелом для формуються мікроспорія [98]. Можливо, тапетум постачає мікроспорія розчинними ДНК попередниками,
14
як це було показано з екзогенно доданим міченим ти-мідіном, який швидко проникав в тканини тапетума і включався в ДНК мікроспорія [72]. Найбільш імовірно, що синтез РНК в тапетуме і мікроспорія материнської клітини пилку незалежний. Однак це не виключає, що тапетум, особливо в ранній період формування мікроспорія, частково поставляє попередників РНК в спорогенную тканина [94]. У тапетуме є досить великий рибосомальних пул, який, очевидно, повністю деградує разом з ним або може постачати попередників РНК для останнього періоду синтезу РНК у спорах, що розвиваються [101].
Роль тапетума у білковому синтезі може бути пояснена з точки зору синтезу специфічних ензимів, связаннь1х з мейозом або іншими процесами в спорогенной тканини. Припустимо участь тапетума і в розподілі білкового резерву. Висока пропорція piPHK в його тканинах свідчить про синтез білків de novo, частина, з которьгх відкладається як запасні в мікроспорак [28, 137]. Обробка гаметоціднимі препаратами викликає репресію синтетичних процесів білка в результаті втручання цих фізіологічно активних речовин у взаємозв'язок процесів ДНК-РНК-білок [13, 19,29, 30, 104, 120]. З'ясування сутності процесів індукції чоловічої стерильності лежить у цій галузі. Ефект ГМК на ростові процеси за допомогою дії інгібітора на обмін нуклеїнових кислот - експериментально встановлений факт [29]. Значний вплив справляє ГМК на рибосомальних фракцію РНК шляхом змін у процесах біосинтезу ДНК [19]. Можливо, що специфічність дії ГМК проявляється на рівні репресії синтезу біокаталітичні активних білків саме тієї фракції, яка відповідальна за синтез і розпад ДНК. При дії ГМК настає зменшення фосфорелірованних багатих лізином гістонових фракцій, кількість яких в актівноделящіхся клітинах при нормальних фізіологічних умовах значно вище. Така зміна в співвідношенні гістонових фракцій впливає на матричну активність ДНК, що призводить до порушення мейотіческого циклу. Не виключено, що зміни співвідношення форм гістонів під впливом ГМК створює умови для атаки і розщеплення ДНК'азой доступних ділянок ДНК, про що свідчить зростаюча активність цього ензиму у рослин, оброблених ГМК [19].
ГМК як гаметоцід не виявляє високої селективності дії, тому що па?? алельних впливає на мери-стематіческую тканину, де стимулює процеси розпаду і пригнічує синтетичну активність клітин [29]. Очевидно,
15
'цим пояснюються негативні ефекти, які спостерігаються при обприскування рослин розчинами ГМК: затримка в рості і розвитку, морфологічні аномалії і т. д. [20, 125].
Зміни в діяльності центрів, що програмують природу синтезованих білків і регулюючих їх синтез, при включенні механізмів стерильності викликають складні зрушення у ферментативних системах. Низька активність різних ензіматшческіх комплексів стерильних аналогів озимої пшениці та пригнічення активності окислювально-відновлювальних процесів, що лежать в основі метаболізму, проявляються на ранніх етапах формування, розвитку і мікроспорія [6, 128]. Дезорганізація в ензиматичних системах викликає дисбаланс у амінокислотного, вуглеводному і нуклеїнових пулах.
Хлоровані похідні аляфатіческіх карбонових кислот, які застосовуються як гаметощідов, викликають накопичення в тканинах пиляків великої кількості амінокислот (а-аланіну, р-аланіну, аспарагінової, глутамінової, се-рина та ін), одночасно різко знижується вміст про-ліаа [8, 26, 43].
При порівняльних дослідженнях чоловічої стерильності у різних видів рослин відзначені зміни у співвідношенні окремих амінокислот у амінокислотної пулі. Кількісний та якісний склад амінокислот обумовлені механізмами цитоплазматичної регулювання та специфікою метаболізму рослини. Так, у стерильних пильовика сорго в порівнянні з фертильністю встановлена анормальну акура ^-муляція гліцину і занижене зміст аспарагінової. Кислоти, серину і аланіну. М. W. Brooks, J. S. Brooks і-L. Chien [52] вважають, що в даному випадку специфічним ознакою, що обумовлює чоловічу стерильність, є блокування гліцину у синтезі пурину. У інших ліній сорго з ЦМС виявлено підвищений вміст трео-нина в порівнянні з фертильністю рослинами. Пильовики останніх включали більше аланіну, глутамінової кислоти і тирозину [43]. Ймовірно, від типу стерильності і етапу, на якому виникають порушення в синтетичних процесах. Клітини, залежить накопичення чи інгібування утворення певних амінокислот.
. Порівняльні дослідження вмісту амінокислот у різних рослин з різними формами чоловічої стерильності (функціональної, цитоплазматичної та ядерної) показали, що у всіх випадках було високий вміст аспа-Рагіна 'і низьке - проліну в порівнянні з фертильністю рослинами [26, 43, 46]. Подальші експерименти підтвер-
16
дили, що пильовики стерильних аналогів ліній, отриманих на основі цитоплазми Т. timopheevi, характеризувалися
-високим вмістом вільного аспарагіну і низьким - проліну. Серед пов'язаних амінокислот зберігається та сама закономірність [118].
^ Індукція чоловічої стерильності при використанні хімічних сполук, що мають гаметоцідной активністю
'- (RMiK, FW-450 4 - гіберелін), супроводжувалася аналогічними змінами в амінокислотної пулі рослин
