CC BY
123
УДК 547.582:547.49:547.458:631.895
Л.С.Кожамжарова, А.С.Кожамжарова, * З.Б.Есимсеиитова**
Таразский Государственный Университет имени М.Х.Дулати *Казахский Национальный Медицинский Университет имени С.ДАсфендиярова **Казахский национальный университет имени аль-Фараби
ФИТОРЕГУЛЯТОРЫ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО И СИНТЕТИЧЕСКОГО СЫРЬЯ КАЗАХСТАНА
В статье рассмотрены экспериментальные данные, связанных с разработкой новых фитогормонов на основе местного сырья Республики Казахстан. Поиски новых регуляторов растений структурно близких к природным физиологически активным веществам способствовали синтезу ряда соединений на основе циклопентановых, нафтеновых, органических карбоновых кислот, терпеноидов, стероидных и гетероциклических соединений.
Ключевые слова: гетероауксин, фитогормоны, органические карбоновые кислоты, химические модификации, биологическая активность.
В связи с необходимостью обеспечения продуктами питания, увеличивающегося населения Земли все более острым становится вопрос повышения продуктивности растений. Судя по огромным потерям урожая, для защиты растений и сохранения урожая возникает практическая необходимость в проведении комплекса защитных мероприятий. Одним из возможных путей достижения этой цели состоит в накоплении фундаментальных знаний в этом направлении, а также дифференцированный научно-обоснованный подход с максимальной реализацией потенциальных возможностей регуляторов роста растений. В естественных условиях рост и развитие растений регулируется веществами, эндогенными фитогормонами (вырабатываются самим растением). В настоящее время выделены, охарактеризованы и изучены шесть основных групп природных регуляторов роста растений (фитогормонов): ауксины, гиббереллины, цитокинины, брассиностероиды, абсцизовая кислота и этилен, которые и управляют биохимическими процессами в клетках растений. Низкие нормы расхода регуляторов, возможность управлять с их помощью процессами роста и развития растений, изменять устойчивость растений к различным внешним факторам определяет их перспективность. Это позволяет сдвинуть рост и развитие растений в желаемом направлении и желаемой степени, предоставляя для практиков особый интерес [1-4].
Путь создания регуляторов роста является длительным процессом протяженностью в 8-10 лет и по трудоемкости не уступает созданию новых лекарственных средств. К настоящему времени обнаружено и изучено в той или иной степени около 5000 соединений (химического, микробного и растительного происхождения), обладающих регуляторным действием, но в мировой практике используется около 50. Это свидетельствует о том, что их широкое производственное применение только начинается. Действительно, удельный вес всех промышленных препаративных форм регуляторы роста на мировом рынке агрохимикатов в настоящее время составляет около 10-12 %. Однако по темпам расширения производства, продажи и использования регуляторов роста растений превосходят все остальные химикаты, находящие применение в сельском хозяйстве [2,4]. Применение регуляторов роста растений становится все более перспективным и быстроразвивающимся направлением интенсификации
Я
современного сельского хозяйства. Несмотря на то, что практическое применение синтетических регуляторов роста во многих случаях дает превосходные результаты, по объемам потребления эти продукты пока значительно уступают пестицидам. Не в последнюю очередь это связано с тем, что результаты применения регуляторов роста сильно зависят от эффективности всех остальных агротехнических мероприятий.
В настоящее время для Республики Казахстан особенно актуально развитие исследований в области создания новых высокоэффективных отечественных препаратов для нужд сельского хозяйства на основе органических веществ, получаемых из местного природного и синтетического сырья. В частности, очень мало данных по созданию росторегулирующих препаратов на основе природных органических кислот. В Казахстане сложились и успешно развиваются научные школы по различным направлениям современной науки. В области химических наук проводятся фундаментальные и прикладные исследования в области создания химических и медицинских препаратов, новых биологически активных веществ, изучаются их свойства и механизмы действия. Исследования, проводимые в лаборатории химии синтетических и природных лекарственных веществ АО «Институт химических наук им. А.Б. Бектурова», вносят определенный вклад в создание базы данных направленного поиска нового поколения соединений с заданными практически полезными свойствами [5-7]. Поэтому, на наш взгляд, представляется интересным развитие научного направления по разработке нового поколения стимуляторов роста, получаемых путем модификации природных и синтетических органических карбоновых кислот. Цикл работ проведен по поиску ростоускоряющих свойств в нефти и продуктах ее переработки. Предположительно эти свойства приписаны нафтеновым кислотам, на основе натриевых солей которых позднее было получено нефтяное ростовое вещество (НРВ). На основе действующего начала НРВ - нафтеновых кислот предложены ростовые препараты [18].
Проведены исследования по выделению индивидуальных нафтеновых кислот, синтезу их производных и проверке физиологической активности. Установлено, что маскимальной ростовой активностью обладают нафтеновые кислоты С12-С18 и показано избирательность их биологического действия.
г-.
(СН)пСООСНз
СНСООСНз
где Я = Я или Я Я = С2 Н5 Я = СН где Я = Я или Я Я = С2Н5 Я = СН
Одним из ростовых препаратов для сельскохозяйственных культур и животноводства были рекомендованы препараты НК-240, НК-270, полученные на основе нафатеновых кислот. При применении НК - 240 в корм концентрации 2 мг/кг живого веса дает привес 15-24% [7].
- алкильные заместители в кольце, п = 1-3
- алкильные заместители в кольце, п = 1-3
Под руководством академика М.И. Горяева были проведены исследования по синтезу ростстимулирующих веществ, структурно близких к ауксинам, гиббереллину на основе а-пинена, камфары и цедрена, гомологического ряда
308
Вестник КазНМУ №3-2017
циклопентановых кислот с различной длиной боковой цепи
^'СИ2)пСООИ
(СН2)2(СНОН)2СООИ
(СН2) п соон
[6,7].
СИ2)п - СИ - (СИ2)7 - СООСИ3 ОИ
СНОНСН2СОСН2СООН
(СН2) т соон
К!=СН3 , И2=С2Н5 , п=1-3
Один из путей решения задач наращивания производства сельского хозяйства является применение экологической чистой технологии фитогормональной регуляции продукционных процессов растений. Группу фитогормонов, обнаруженных во многих видах растений принято называть брассиностероидами [8]. Последние представляют интерес как экологически безвредные регуляторы роста растений. Являясь высокоэффективными фитогормонами,
брассиностероиды синтезируются в растениях в очень небольших количествах. Поэтому успехи в изучении биологической активности и практического применения
брассиностероидов определяется возможностью их химического синтеза из доступных стероидов. Биологически активные экзотические брассиностероиды содержат цис-2,3 - диольную функцию, промежуточными соединениями при формировании которой являются, вещества, содержащие А2-связь. Под руководством профессора Ирисметова М.П. осуществлен синтез структурных аналогов брассиностероидов путем ряда синтетических превращений на основе соласодина и диосгенина. Соединения представляют практический интерес как фиторосгорегулирукицие вещества [9]:
Я=0
Под руководством д.х.н. Артамонова А.Ф. разработаны простые и доступные способы получения сложных эфиров синтетических и природных органических карбоновых кислот с многоатомными спиртами и углеводами представляющие большой практический интерес. При испытаниях в лабораторных и полевых условиях на
сносор
Я=0 Я=0
различных овощных культурах среди них были выявлены эффективные стимуляторы, которые имеют преимущества перед применяемыми препаратами - цинебом и гетероауксином [10-12].
—» п
Я= 2-ОН-Сб Н4; 4-ОН-Сб Н4; 3- 0Н-Сб Н4; 4-И2Н- Сб Н4;
Ост
сн - с -О
Испытания сложных эфиров ароматических и 3-индолилуксусной кислот с сахарозой на ростстимулирующую и антивирусную активность на овощных культурах и картофеле проведено в Казахском научно-исследовательском институте картофельного и овощного хозяйства. Препараты являются экологически безвредными, после обработки растений не обнаруживаются ни в почве, ни в продукции. При испытаниях ростстимулирующей и антивирусной активности на картофеле в лабораторных условиях был выявлен эффективный препарат - РС-1 и РС-2. В результате проведенных исследований было показано, что на защищенных препаратом посадках картофеля болезни вирусной этилогии проявлялись слабее, чем в контроле (необработанные растения). Через 30-35 дней после
обработки растений, в период накопления ингибиторов-веществ, инактивирующих вирусы, неспецифическая антивирусная активность сока картофеля в опытном варианте была на 27-35% выше, чем в контроле. Все это свидетельствует об иммунизирующем антивирусном действии изучаемого препарата на растения. Изученный препарат обладал и фитостимулирующим действием. В результате применения РС-2 урожай картофеля, в зависимости от сорта, увеличился на 16,1-19,7% или на 20,740,0 ц/га (концентрация 0,005%, а в базовом варианте на 14,5-18,4 % или на 19,6-37,3 ц/га (концентрация 0,25%). Использование препарата вместо эталона - ТУР для получения анологичного урожая позволяет снизить в 50 раз количество препарата, вносимого на единицу площади, что имеет важное экологическое значение. Испытанный
[Р
Р
2
И=СН3 , С2Н5; т=0-1
о
И
препарат рекомендован для практического использования в картофелеводстве для защиты картофеля от вирусных заболеваний и повышения урожайности [10,11]. Одним из направлений, имеющих высокий инновационный потенциал, является разработка технологии предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур, обеспечивающая повышение урожайности и биологической ценности растений. Семена свеклы, лука и моркови туговсхожие. Семена овощных культур с различными физиологическими показателями и способностью к прорастанию нередко дают всходы на протяжении длительного периода (30 - 40 дней), что проводит к разнояросности растений. Применение стимуляторов роста при подготовке семян к посеву повышают энергию прорастания, полевую всхожесть и устойчивость к неблагоприятным факторам среды, препятствует распространению посевным материалом болезней и вредителей, при этом способствует улучшению питания для появляющихся проростков, а также раннему созреванию и увеличению урожая. В рамках перспективных исследований по разработке новых экологически чистых физиологически активных регуляторов роста растений на основе сахарозы и фенилкарбоновых кислот получены сложные эфиры, условно названные ОФК - 1 и ОФК - 3. Результаты лабораторных исследований показали, что фиторегуляторы активизируют энергию прорастания и всхожесть семян тугорослых семян моркови, лука на 12-27 %. Оптимальной дозой для препарата ОФК- 1 является 0,0001%, а для ОФК -3 - 0,001% концентрации.
Установлено, что предпосевная обработка тугорослых семян моркови и лука препаратами увеличивает полевую всхожесть, густоту стояния растений моркови и лука, ускоряет динамику ассимиляционной поверхности растений и массы корнеплодов и луковицы, улучшает качество и пищевую ценность продукции, и способствует увеличению урожайности на 22-24% (морковь) и 13-14% (лук). Отмечено также повышение устойчивости растений против вирусных заболеваний в 3-4 раза по сравнению с гетероауксином. Предпосадочная обработка клубней картофеля препаратами в концентрации 0,001% обеспечила дополнительный урожай на 21 т/га [13-15].
Известно, что к недостаткам природного гетероауксина относятся неустойчивость при хранении (быстро темнеет на свету), фитотоксичность и невысокая эффективность в качестве стимулятора роста и урожайности сельскохозяйственных культур. Химическая модификация 3-индолилуксусной (ИУК) кислоты с сахарозой позволила увеличить растворимость в воде, стабильность при хранении и значительно уменьшить токсичность, а также обеспечить активный транспорт веществ за счет углеводного фрагмента, усилить и изменить физиологическую активность. В настоящее время накоплен значительный фактический материал, освещающий влияние синтезированных соединений на рост и развитие овощных культур [5-7,9-20]. При испытаниях в лабораторных и полевых условиях на различных овощных культурах среди них были выявлены эффективные стимуляторы, которые имеют преимущества
перед применяемыми препаратами - гетероауксином и калиевой соли гетероауксина. Моноэфир 3-индолилуксусной кислоты и сахарозы проявил ростстимулирующую активность на картофеле. В лабораторных условиях изучено действие веществ на пробуждение почек клубней картофеля. Обработка клубней 0,001% - ной концентрацией препаратом способствует прорастание почек на 48,3%, а при обработке 0,0001%-ной концентрацией на 37,9% соответственно. В полевых условиях изучено действие препарата на рост, развитие и урожайность картофеля при предпосадочном замачивании клубней в оптимальных концентрациях. В качестве эталона использовали янтарную кислоту. Растения, выросшие из клубней, обработанных препаратами, отличались более интенсивным приростом ботвы, более развитой корневой системой, благодаря чему повышается число клубней на куст. Положительное действие препаратов на рост и развитие растений картофеля способствует увеличению урожая клубней. Предпосадочная обработка клубней препаратами А-27 в концентрации 0,001% обеспечила прибавку урожая по отношению к контролю 4,2 т/га (22,5%), а в концентрации 0,0001% - 3,4т/га (18,6%) соответственно [5,6,16].
Проведены полевые испытания моноэфира на ростстимулирующую активность различных видов технических культур (соя, кукуруза). Применение препарата в оптимальной концентрации для обработки семян кукурузы и сои способствует максимальной прибавке урожая кукурузы к контролю на 15,9%, сои - на 18,3%. Проведенные исследования в лабораторных и полевых условиях показали, что при обработке семян корнеплодов препаратом (0,0001%) увеличивает урожайность моркови и свеклы по сравнению с эталонным вариантом (0,06% гетероауксин) в 1,1-2,3 раза [17,18].
Наиболее перспективным и интенсивно развивающим направлений синтетической органической химии является поиск новых биологически активных веществ на основе насыщенных гетероциклических соединений. Исследована зависимость рострегу-лирующей активности соединений от их состава и структуры. Установлено, что введение непредельных радикалов в фосфонатную группу уменьшает активность препаратов. У фосфонпиперидолов она повышается, если фосфонгруппа содержит алкильный заместитель. Значительное влияние на активность окси- и аминофосфонатов пиперидинового ряда оказывает характер замещения у атома азота; незамещенные фосфонпиперидолы менее активны, чем их ^алкильные аналоги. Среди фосфорилированных производных пиперидинового ряда были выявлены препараты 2,5-диметил-4-метилпропил-фосфонпиперидин-4-ол 1-диметоксифосфорил-2,5-диметил-4-
диметоксифосфорилпи-перидин-4-ол; О-
диметоксифосфорил - оксима 1,2,5 - триметилпиперидин-4-она оказывающие стимулирующее действие на рост и развитие растений картофеля [5-6, 9,19].
ИО
СИ
О
р \
о сн3
ОС3И7
N И
СИ
НзС
О II
N - О - Р(ОСИ)7 II 3 2
N СИз
СИ
O
(ЫзСО)2Рч N
ЫзС
СЫ3 О
р(осы3)2
ОЫ
снзочр
он
c^o'
о
n-chch = ch
Под влиянием препаратов наблюдался больший прирост урожая, предпосадочная обработка клубней картофеля препаратами в 0,001% концентрации способствует ускорению прорастания и увеличению числа проросших почек глазков. Растения при этом отличаются более интенсивным приростом ботвы, более развитой ассимиляционной поверхностью и корневой системой, что
способствует увеличению урожая картофеля на 17-19%. Для дальнейших углубленных испытаний в качестве регуляторов роста овощных культур рекомендованы а-диаминодифосфонатов пиперидинового ряда общей формулы:
Препараты оказывали ростстимулирующую активность на культурах лука сорта «Каратальский», томатов сорта «Советский 679» и перца сорта «Болгарский». Испытанные препараты по сравнению с контролем (вода) и эталонами (гетероауксин, гибберелиновая кислота) в условиях лабораторных и полевых опытов оказывают заметную рострегулирующую активность и рекомендованы к дальнейшим исследованиям.
H \
Ph
Ph
Установлено, что гидрохлорид а- 2,6-дифенил-4-диметоксифосфорилпиперидин-4-ола под шифром «Алт-12», в результате активизации процесса жизнедеятельности, у обработанных клубней ускоряется и увеличивается число проросших почек на 54 % по сравнению с необработанным посадочным материалом [20-22].
,P(OR)2
OH
HCl
В конечном результате, растения картофеля, выросшие из обработанных клубней препаратом Алт-12 лучше росли и развивались и на 3-4 дня раньше наблюдаются всходы, дополнительный урожай составлял 4,4 т/га или 19,6%.
По результатам биологических испытаний в лабораторных и полевых условиях в ряду
амидодиалкоксифосфорилгексинов выявлены новые эффективные препараты [23]:
о
h
,n—p(or)2
R = СНз, C2H5
Результаты исследований показали, что синтезированные соединения проявляют выраженную ростстимулирующую активность при оптимальной концентрации: препарат Алт-10 (Я= СНз) при 0,0001%, а Алт-9 (Я=С2Н5) - 0,001%. В лабораторных условиях изучалась ростстимулирующая эффективность новых отечественных препаратов при предпосевной обработке клубней картофеля. При этом исследовано действие новых соединений на энергию прорастания и всхожесть семян моркови и свеклы, обработанных в разных концентрациях препаратами. Дополнительный урожай был получен при применении препарата Алт-10 в 0,0001% концентрации - 4,5 т/га или 20,0%, а при применении препарата Алт-9 в 0,001% концентрации - 4,7 т/га или 20,9%.
При разработке новых высокоэффективных регуляторов роста растений следует учитывать, что установление взаимосвязи «структура-активность» является сложной функцией, которое зависит от многих параметров, структуры, в том числе наличия биофорных групп, их растворимости и комплекса этих и других свойств. Вышеизложенные краткие показатели подтверждают целесообразность разработки новых конкуренноспособных отечественных препаратов для нужд сельского хозяйства. Приведенные результаты исследований коррелируются с дальнейшим ростом и развитием культур, что свидетельствует о целесообразности проведения дальнейших исследований по применения новых соединений в качестве регулятора роста растений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Баскаков Ю.А., Шаповалов А.А. Регуляторы роста растений. - М.: Знание, 1982. - С 56-62.
2 Никелл Л.Дж. Регуляторы роста растений. - М.: Колос, 1984. - С 80-90.
3 Колбин А.М., Икрина М.А. Регуляторы роста и развития растений. - М.: Химия. - С. 205.
4 Шаповал О.А., Вакуленко В.В., Прусакова Л.Д. Регуляторы роста растений // Защита и карантин растений. 2008. №12. -С 54-71.
5 Джиембаев Б.Ж. Фундаментальные и прикладные исследования лаборатории химии природных соединений //Химия природных и синтетических биологически активных соединений (строение, свойства и превращения): Сб. науч. тр. ИХН им. А.Б. Бектурова МОН РК. Алматы.: 2001. Т. 76. - С. 24-41.
6 Джиембаев Б.Ж., Ирисметов М.П., Барамысова Г.Т. Становление и развитие исследований в области химии природных соединений в ИХН МОН РК // Хим. журн. Казахстана. - 2005. - № 4. - С. 240-267.
7 Ергожин Е.Е., Джиембаев Б.Ж., Барамысова Г.Т. Научное наследие академика М.И. Горяева. - Алматы.: «Эверо», 2004. - 540 с.
8 Хрипач В.А., Жабинский В.Н., Лахвич Ф.А. Перспективы практического применения брассиностероидов - нового класса фитогормонов// Сельскохозяйственная биология. Серия Биология растений. - 1995. - №1. - С. 3-11.
9 Джиембаев Б.Ж. Состояние и перспективы исследований в области поиска и создания новых биологически активных соединений для сельского хозяйства // Мат. Междунар. научно - практическая конф. «Современные проблемы защиты и карантина растений», посв. 90 - летию со дня рождения Ж.Т. Джиембаева. — Алматы.: 2005. - С 35-40.
10 Артамонов А.Ф. Синтез, строение, свойства и применение сложных эфиров органических кислот с многоатомными спиртами и углеводами: автореф. доктора хим. наук: 01.07.05. - Алматы.: 2005. - 45 с.
11 Артамонов А.Ф. Синтез сложных эфиров салициловой кислоты с углеводами и многоатомными спиртами // Изв. МОН РК, сер. хим. - Алматы.: 2004. № 1. - С 76-81.
12 Барамысова Г.Т., Артамонов А.Ф., Джиембаев Б.Ж., Жуманова Г.С., Тлеубаева А.А. Разработка новых отечественных фитогормонов на основе природного и синтетического сырья Казахстана / / Хим. журнал Казахстана. - Алматы.: 2010. - №4. -С.166 -174.
13 Барамысова Г.Т Артамонов А.Ф., Джиембаев Б.Ж., Тлеубаева А.А., Игдирова А.Н. Разработка регуляторов роста растений на основе природных оксикарбоновых кислот// Междунар. науч. конференции «Актуальные проблемы развития биоорганической химии». Ташкент.: 20-21 сентября 2010 г. - С 44.
14 Барамысова Г.Т., Джиембаев Б.Ж., Артамонов А.Ф., Тлеубаева А. А.// Синтез пестицидов ароматического ряда и их биологическая активность// IV междунар. « Инновационные идеи и технологии-2011», Алматы.: 2011. - С. 173-175.
15 Инновационный патент 24646 РК. Композиция на основе салициловой кислоты и сахарозы, обладающая ростстимулирующей активностью на тугорослые семяна / БарамысоваГ., Артамонов А.Ф., Джиембаев Б.Ж., Тлеубаева А.А.: опубл.17.10.2011, бюл. №10. 5 с.
16 Предпатент 16358 РК. Стимулятор роста картофеля: опубл. 2005.
17 Инновационный патент 26146 РК. Стимулятор индольного ряда для роста технических культур:опубл. 2011.
18 Инновационный патент 26145 РК. Стимулятор индольного ряда для роста огурца и корнеплодов:опубл. 2011.
19 Джиембаев Б.Ж. а-Окси и а-аминофосфонаты шестичленных (N, O, S, Se) гетероциклов. Алматы.: 2003. 234 с.
20 Жуманова Г.С., Барамысова Г.Т., Джиембаев Б.Ж. Оксифосфонаты пиперидинового ряда // Изв. НТО «КАХАК». 2007. Спец выпуск (17). -С 187-189.
21 Барамысова Г.Т. Фосфорсодержащие производные дифенилзамещенных гетероциклических (N,S,Se) кетонов // Доклады НАН РК. - 2009. - № 2. - С 36-43.
22 Инновационный патент 22966 РК. Стимулятор роста картофеля /Барамысова Г.Т., Джиембаев Б.Ж., Жуманова Г.С., Тлеубаева А.А., Алимкулов Д.: опуб. 2010.
23 Барамысова Г.Т., Жусупбекова Н.С., Джиембаев Б.Ж. Синтез амидодиалкоксифосфорилгексинов и диамидодипропиоксифосфорилдодекадина // Химический журнал Казахстана. 2009. №2. -С 100-105.
Л.СДожамжарова, А.С.^ожамжарова,* З.Б.Есимсеиитова**
М.Х.Дулати атындагы Тараз мемлекеттж yHUBepcumemi *СЖАсфендияров атындагы К,азац улттыц медицина университетi **Эл-Фараби атындагы К,азац улттыцуниверситетi
tywh: Макалада Казахстан Республикасыныц жерплшт шигазаттары непзшде жаца фитогормондардыц жасалуымен байланысты тэж1рибелш мэл1меттер карастырылган. Физиологиялы; белсенд заттар, оймдкпктердц к¥рылымына косылыстар непз1нде циклопентандык, нафтендык, органикалы; карбонкышкылдары, терпеноидтар, стероидты; жэне гетероциклы косылыстар синтез катарындагы жаца регуляторларды ¡здеспру болып табылады.
сездер: гетероауксин, фитогормондар, органикалык карбон кышкылдары, химиялык модификация, биологиялык белсендтк.
L.S.Kozhamzharova, A.S.Kozhamzharova,* Z.B.Yesimseiitova**
M. Kh. Dulaty TarazState University *Asfendiyarov Kazakh National Medical University ** al-Farabi Kazakh National University
Resume: The article considers experimental data related to the development of new phytohormones based on local raw materials of the Republic of Kazakhstan. The search for new plant regulators structurally close to natural physiologically active substances facilitated the synthesis of a number of compounds based on cyclopentane, naphthenic, organic carboxylic acids, terpenoids, steroid and heterocyclic compounds.
Keywords: heteroauxin, phytohormones, organic carboxylic acids, chemical modifications, biological activity.
