Гаметициды и их применение в селекции

мейозе или в предшествующей стадии микроспорогене-за [118]. Параллельно накопление глутаминовой кислоты в стерильных пыльниках свидетельствует о торможении про¬цессов превращения ее в пролин, предшественником которого она является. Относительно высокое содержание аспарагина в пыльниках растений с мужской стерильностью также обус¬ловлено метаболическими отклонениями.

Индукция мужской стерильности вносит свои коррективы в биосинтетические процессы не только генеративных органов, но и всего растения. Общее содержание аминокислот в семе¬нах и вегетативных органах стерильных растений пшеницы выше, чем фертильных, на 8%, что можно объяснить специ¬фикой метаболической активности митохондрий стерильных растений [46, 63]. У нормально развивающихся растений на¬копление свободного пролина начинается после редукционно¬го деления и осуществляется за счет притока пролина из ве¬гетативных органов [8].

Наблюдения за изменениями в динамике развития орга¬низма, происходящими под влиянием веществ с гаметоцидной активностью во взаимосвязанной системе ДНК—iPHiK—бе¬лок—аминокислоты, показали, что наиболее быстро и в зна¬чительной степени изменяются активности энзиматических систем, затем проявляются ответные реакции в обмене нук¬леиновых кислот и белка и относительно с большим опозда¬нием 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]. Фи¬зиологическая роль пантотеновой кислоты связана с тем, что она является функциональной группой конденсирующего фер¬мента КоА. Хлорированные алифатические кислоты выступа¬ют антиметаболитами р-аланина, поэтому синтез цантотено-вой кислоты является одним из чувствительных метаболиче¬ских путей к этой группе соединений. Действие FW-450 опре¬деляется конкуренцией с 2,4-диокси-р-метилмасляной кисло¬той за локус, специфически активирующий фермент. Анало¬гичный 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 применяе¬мых соединений обусловлен нарушением синтеза КоА. В ре¬зультате возникает дисбаланс в соотношении ряда аминокис¬лот трикарбонового цикла. При этом снижается количество лимонной и возрастает содержание яблочной кислоты, проис¬ходит более интенсивный синтез р-аланина и аспарагиновой кислоты.

В настоящее время преждевременно судить об определен¬ной специфичности действия конкретных гаметоцидов, о «ме¬сте первичного действия» соединения. Возможно, механизм гаметоцидного действия определяется конкуренцией между веществом, обладающим гаметоцидньши свойствами, и опре¬деленными естественными метаболитами тканей генератив¬ных органов.

На основании исследований конкуренции между пантоте-натом и далапоном появилась возможность предсказать но¬вые аналоги пантоата в виде хлорзамещенных алифатаче-ских кислот. Были синтезированы 4 соединения, биологиче¬ская активность которых (в данном случае гербицидная) варьировала в зависимости от степени хлорирования и место¬

положения хлора: (далапон); при кон¬

центрации 0,005 М активность далапона составляла 76%, при 0,05 М—99%.

У соединения

активность при тех же

концентрациях составляла соответственно 77 и 100%. 19

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 препа¬рата не имеет прямо пропорциональной зависимости от кон¬центрации вещества, что свидетельствует о сугубо физиологи¬ческой активности соединения, связанной с особенностями ме¬таболизма растения.

В исследованиях по биохимизму действия ряда гербици¬дов 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 фос¬форелирования — результат угнетения активности многочис¬ленных 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 .из¬менялось соотношение сульфгидрильных и дисульфидных групп, входящих в состав активных центров многочисленных энзимов, участвующих в разнообразных ферментативных ком¬плексах [13]. Кроме того, установлено повышенное содержа¬ние изофлавоновых глюкозидов и изменение их состава при o6pai6oTKe растений 2,4Д [22].

Появление хинонов — продуктов окислительного превра¬щения фенольных соединений с высокой биологической ак¬тивностью и их взаимодействие с амино- и сульфгидрильны-ми группами белков, сульфгидрильными группами аскорби¬новой кислоты и другими SH-содержащими компонентами клетки обусловливают блокирование целых систем энзимати-чески взаимосвязанных комплексов. От окислительно-вос¬становительных условий и энергетических возможностей тка¬ни, особенно спорогенной, зависят синтез и обмен важнейших органических соединений.

20

Характерными признаками ЦМС у сорго являются угне¬тение окислительно-восстановительных процессов и снижение энергетического обмена [41]. Различия в активностях АТФ'азы обнаруживались у стерильных аналогов уже в фа¬зе тетрад и сохранялись в дальнейшем на всех фазах разви¬тия микроопор [16]. Среди соединений с гаметоцидными свой¬ствами 2,4Д снижает содержание АТФ и АДФ — адениннук-леотидов, основных аккумуляторов энергии в клетке. Уста¬новлено, что 2,4Д ингибирует активность аденилаткиназы — фермента, осуществляющего равновесное соотношение ком¬понентов аденилатного пула: 2 АДФ ^ АМФ+ДТФ [21].

Растительные гормоны, проявившие гаметоцидные свой¬ства (2,4Д, ИУК, НУК, ГКз и т. п.), могут индуцировать муж¬скую стерильность на тех уровнях метаболических процес¬сов, на которых они оказывают свое регуляторное действие:

на уровне генома, мембран, аллостерического эффекта. Воз¬можно 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 аук¬сины [25], может служить молекулярно-биологической интер¬претацией 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 актив¬ность энзимов, связанных с метаболизмом углеводов, опреде¬ляющих 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]. Повы¬шение активности глюканазных энзимов взаимосвязано с про¬цессами 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 утилиза¬цию глюкозы путем активации энзима УДФ-зависимой глю-кансинтетазы, локализованной в пределах аппарата Гольд-21

жи, что способствует формированию и повышенному содер¬жанию глюканов, галактанов и пентозанов [42]. Подобным образом 2,4Д включается в один из уровней метаболизма клетки (через углеводы, путем активации плазменной, связан¬ной с мембранами глюкансинтетазы), что способствует ути¬лизации УДФ-арабинозы я увеличению количества связанных остатков арабинозы с галактаном [136]. Повышение числа сшивок в молекулах галактана изменяет пластичность кле¬точных стенок. Вместе с тем аккумуляция 2,4Д в мембранах вызывает нарушение комплекса связанного с мембрана¬ми белкового фактора, который обусловливает активность PHiK полимеразы, транскрибирующей определенные мРНК [66].

В опытах по конкурентному вытеснению связанных эффек-торов (производные феноксиуксусной кислоты и ИУК) на¬глядно продемонстрировано, что связывание биологически ак¬тивных хлорированных производных мембранами (эффектор-рецептор) носит специфический характер [14]. Изменяя фун¬кциональную 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 фер¬менты, преобразующие углеводные компоненты мембран и клеточных оболочек. Возрастающая при этом проницаемость может вызывать нарушение