CC BY
37
Новая функция эндогенных фенольных соединений
Резюме. Изучено действие эндогенных фенольных соединений на активность ферментов ауксинового обмена в опытах in vitro и in vivo, а также регуляция ауксинзависимых процессов с помощью фенольных эффекторов индолилуксусной кислоты (ИУК). В результате впервые доказано, что природные фенольные соединения являются регуляторами роста растяжением.
Ключевые слова: растения, ферментные системы ИУК, фенольные соединения, рост растяжением.
УДК581.143:577.175.1.05
Как известно, эндогенные регуляторы роста растений представлены соединениями гормональной и негормональной природы. К первым относят ауксины, гибберел-лины, цитокинины, брассиносте-роиды, абсцизины и этилен, среди вторых наиболее известны фенолы и витамины. Основным свойством фенолов является координация ростовых процессов в широком диапазоне - от стимуляции до полного ингибирования.
Александр Волынец,
главный научный сотрудник лаборатории физиологии патогенеза иболезнеустойчиво-сти растений Институтаэкспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича НАН Беларуси, доктор биологических наук, профессор
Не
вдаваясь в подробное описание молекулярной структуры фенольных соединений, все же отметим некоторые ее особенности, от которых зависит их биологическая активность. К ним можно отнести общее строение веществ, количество и расположение оксигрупп в молекуле, а также наличие и положение боковых заместителей, которыми чаще всего бывают метокси-группы и углеводные остатки.
К началу 1960-х гг. в биологической науке, казалось бы, сложилось
твердое убеждение, что эндогенные фенольные соединения являются природными ингибиторами роста [1, 2], которые в зависимости от концентрации снижают или полностью подавляют стимулирующую активность ауксинов, гиббереллинов, цитокининов. Однако трудно было согласиться с тем, что столь разные по структуре фенолы имеют одинаковые биологические свойства. С этой целью в течение длительного времени мы изучали ростовую активность представителей шести наиболее
распространенных классов этих веществ, использованных в свободной (агликоны) и конъюгированной (эфи-ры и гликозиды) формах. Всего было испытано более 120 индивидуальных природных соединений коммерческого происхождения или собственного выделения из растений желтого люпина, льна-долгунца, люцерны, ржи и пшеницы [3]. Вместе с чистыми веществами в опытах применяли также природные и искусственные смеси фенольных соединений. Исследования показали, что росторегулирующая способность фенолов неодинаковая и возрастает в ряду «флавоны — изофлавоны — флавонолы — окси-бензойные кислоты — оксикоричные кислоты — оксикумарины» [4]. Если флавоны в эндогенной концентрации выступают в качестве слабых ингибиторов или неактивных веществ, то оксикумарины проявляют себя как выраженные регуляторы роста.
Примерно в то же время было установлено, что фенольные соединения способны стимулировать или инги-бировать оксидазу индолилуксусной кислоты (ОИУК) в опытах in vitro [1]. Но этому обстоятельству не придали большого значения, и роль фенольных веществ в системе эндогенных регуляторов роста оставалась нераскрытой. Эти факты побудили нас провести
Научные публикации
Таблица 1.
Влияние фенольных соединений на активность ОИУК, выделенной из листьев желтого люпина (в % к контролю)
Рис. 1.
Влияние смеси и суммарных препаратов флавоноидных гликозидов иагликонов из цветков желтого люпина на окисление ИУК в опытах in vivo
VO о
Ф е
VJD Таблица 2.
тЪ Совместное
s s действие
< сс оксикумаринов
0 1 I и ауксина на рост
s s растяжением
S > колеоптилей
< I пшеницы
66 (в % к контролю)
Фенольные соединения Концентрация, М
10-4 10-5 10-6 10-7
Коричная кислота 67 54 53 -
Салициловая кислота 109 100 103 -
п-кумаровая кислота - 123 94 84
Кофейная кислота - 27 34 77
Феруловая кислота - 67 85 96
Хлорогеновая кислота 7 10 0 -
Эскулетин - 0 84 95
Эскулин - 9 107 107
Кемпферол - 3 76 93
Лютеолин - 1 62 93
с разбавлением раствора. Коричная кислота почти в одинаковой степени изменяла активность фермента независимо от концентрации. Кемпферол и лютеолин в концентрации 10-5М полностью ингибировали ОИУК и почти не оказывали влияния на фермент в концентрации 10-7М. Оксикумарины (эскулин и эскулетин) в концентрации 10-5М ингибировали активность фермента соответственно на 100 и 91%. Феруловая кислота слабо воздействовала на ОИУК, а салициловая кислота в концентрациях 10-4-10-6М была инертной. Среди испытанных фенольных соединений только п-кумаровая кислота в концентрации 10-5М стимулировала активность фермента.
Из приведенных данных следует, что фенольные соединения с о-диок-сигруппировкой в молекуле ингиби-руют активность ОИУК, а соединения с п-оксигруппой стимулируют ее. Промежуточное положение занимают метилированные фенолы (феруловая кислота), выступая слабыми ингибиторами или активаторами фермента. Очень важно, что ингибиторы ОИУК одновременно стимулируют образование ауксина, а активаторы
Вариант Значение Концентрация оксикумаринов, М
контроля 10-4 10-5 10-6 10-7
Контроль (вода) 100 - - - -
Контроль (ИУК, 10-6М) 160 - - - -
Эскулин - 92 104 115 110
Эскулетин - 125 137 130 105
Эскулин+ИУК - 103 185 190 195
Эскулетин+ИУК - 208 230 234 220
125100-| 755 50-
0
250--
1 2 3 4 5 6
Варианты
1 - контроль,
2 - рутин, 10']М+ройфолин, 10-4М,
3 - рутин, 10-3М+ройфолин, 10-3М,
4 - рутин, 10-4М+ройфолин, 10-4М,
5 - суммарный препарат гликозидов, 10-4М,
6 - суммарный препарат агликонов, 10-4М
комплекс специальных исследований для выяснения характера действия фенолов на ферменты ауксинового обмена (синтетазу и ОИУК) в опытах in vitro и in vivo. В качестве примера приведем сведения, касающиеся влияния фенольных соединений на свойства ОИУК в опытах in vitro (табл. 1).
Наибольшую активность проявила хлорогеновая кислота, которая почти полностью подавляла ОИУК во всех испытанных концентрациях. Значительно слабее действовала кофейная кислота: ее ингибирующая способность существенно снижалась
подавляют этот процесс. В опытах in vivo с разным введением фенольных соединений в растения (вакуум-инфильтрация в листья, свободное насасывание и инъекция в стебель) в возрасте 8 листьев установлено, что характер их действия на процессы синтеза ИУК сохраняется, тогда как активность ОИУК изменяется [5]. Принимая во внимание различие состава и содержания фенолов в онтогенезе и разное действие их на активность ИУК в опытах in vitro и in vivo, представлялось очень важным выяснить влияние на свойства этого фермента природных и искусственных смесей фенолов. В отличие от индивидуальных фенольных соединений природные и искусственные их смеси, как правило, стимулировали образование ауксина и ингибировали его распад, то есть активировали ростовые процессы (рис. 1), причем эффект ингибирова-ния мало зависел от состава и концентрации взятых веществ. Следует сказать, что суммарный препарат (смесь) гликозидов содержал около 20 компонентов, а суммарный препарат агликонов - 5, включая соответственно гликозиды и агликоны лютеолина, апигенина, кверцетина, кемпферола и изорамнетина [6, 7].
Следовательно, любой состав флавоноидов в интактных растениях способствует образованию и сохранению ауксина, тем самым поддерживая состояние роста. В свете сказанного становится понятным смысл присутствия разнообразных по структуре фенольных соединений в растущих органах растений. С затуханием ростовых процессов исчезает ауксин, одновременно выводятся и активные фенолы, пополняя фонд полимерных фенольных продуктов (лигнин, кутин, суберин) и запасных конъюгирован-ных веществ (гликозиды и эфиры).
Окончательным доказательством существования фенольной регуляции роста растяжением были опыты по направленному изменению тех процессов, в которых ауксин выступает ведущим регулятором. К таковым можно отнести рост растяжением
колеоптилей злаков и пыльцевых трубок растений, корне- и плодо-образование. Совместное воздействие ауксина и о-диоксифенолов (эскулетина и эскулина) на развитие колеоптилей пшеницы (сорт Мироновская 808) позволило не только полностью сохранить стимулирующую активность гормона, но и получить синергический, аддитивный и даже сверхаддитивный эффекты (табл. 2), то есть взаимодействие регуляторов роста проявлялось очень сильно.
Фенольные соединения вступают в реакции не только с экзогенным ауксином, но и с эндогенным, о чем свидетельствуют опыты по интенсификации корнеобразования у черенков фасоли при воздействии на них некоторыми фенолами при отсутствии экзогенного гормона, необходимого обычно для индукции формирования корней (табл. 3).
Выраженное росторегулирующее влияние на корнеобразование, как и можно было ожидать, оказывали фенольные соединения со свободной о-диоксигруппой в молекуле, к которым относятся эскулетин и кверцетин. Они стимулировали закладку и появление корешков весьма существенно, в меньшей степени - их рост в длину. Не изменяли или очень слабо активировали процессы корнеобразования эскулин, кофейная и хлорогеновые кислоты, в которых о-диоксигруппа блокирована углеводным остатком (эскулин) или отягощена наличием карбоксильной группы (кофейная и хлорогеновые кислоты). Рутин занимал промежуточное положение.
Описанные результаты свидетельствуют о том, что при эндогенной регуляции роста растяжением между ауксином и фенольными соединениями происходит постоянное взаимодействие, которое меняется в онтогенезе растений в соответствии с изменением состава и содержания фенольных эффекторов гормона.
Таким образом, впервые установлена новая функция эндогенных фенолов - их способность регулировать
Фенольные соединения Концентрация, М Высота закладки корешков, мм Количество корешков, шт Общая длина корешков одного черенка, мм
Контроль (вода) - 100 100 100
10-4 79 92 73
10-5 116 100 95
Эскулин 10-6 110 115 95
10-7 58 92 66
10-8 63 100 83
10-3 425 155 137
10-4 325 100 128
Эскулетин 10 -5 775 164 138
10-6 475 145 130
10-7 400 136 119
10-8 675 182 129
10-3 120 100 113
10-4 130 100 111
Рутин 10 -5 140 93 129
10-6 200 160 111
10-7 200 100 66
10-8 220 133 106
10-3 521 140 124
10-4 250 130 108
Кверцетин 10 -5 150 410 79
10-6 375 150 87
10-7 200 120 118
10-8 175 100 84
10-4 107 115 158
Кофейная 10 -5 93 73 94
10-6 114 112 100
кислота 10-7 95 121 221
10-8 93 97 137
10-4 83 100 86
Хлорогеновая 10 -5 83 90 128
10-6 100 90 95
кислота 10-7 100 120 196
10-8 167 130 123
Стало ясным также место эндогенных фенольных соединений в системе эндогенных регуляторов роста - их функциональная связь с ауксиновым обменом. СИ
Статья поступила в редакцию 30.07.2015 г.
рост растяжением посредством трансформирования активности ферментов ауксинового обмена. Это открытие имеет важное значение не только для понимания сущности эндогенной регуляции, но и для осуществления направленного изменения ростовых процессов в практических целях.
Summary
The effects of endogenous phenolic compounds on the activity of oxidase and synthase IAA in the experiments in vitro and in vivo, and regulation auxin dependent processes with the help phenolic effectors of auxin is investigated. It is shown, that all phenolic compounds are able to activate or inhibit these enzyme systems. The oxidase activators are p-oxyphenols and p-oxypolyphenols, and inhibitors are o-dioxyphenols and o-dioxypolyphenols. At the same time inhibitors of the oxidase are activators synthase, and activators of the oxidase are inhibitors of the biosynthesis of auxin.
Литература
1. Леопольд А. Рост и развитие растений.- М., 1968.
2. Кефели В.И. Природные ингибиторы роста и фитогормоны.- М., 1974.
3. Волынец А.П., Корнелюк В.Н. Об одной особенности действия гербицидов на фенольный комплекс растений // Физиология растений. 1973. Т. 20, №4. С. 844-851.
4. Волынец А.П. Фенольные соединения в жизнедеятельности растений.- Мн., 2013.
5. Волынец А.П., Пальченко Л.А. Взаимодействие ауксинов и фенольных соединений в процессах роста // Метаболизм и механизм действия фитогормонов.- Иркутск, 1979. С. 132-134.
6. Валынец А.П. Флаванощныя злучэнн розных частак квети лубну (Ырт ¡иТеиз I.) // Весц АН БССР. Сер. б(ял. навук. 1982, №4. С. 24-27.
7. Маштаков С.М., Волынец А.П., Корнелюк В.Н. Флавоноидные агликоны люпина желтого (Ыртиз ¡иТеиз Ц // Доклады АН БССР. 1971. Т. 15, №2. С. 177-180.
Таблица 3. Действие фенольных соединений на корнеобразование у черенков фасоли сорта Сакса (в % к контролю)
