Ничто так не прельщает человека среднего ума и возможностей, как власть. Если не над людьми, то хотя бы над природой, на худой конец… над растением.
Такое вот орудие власти, почти неограниченной, биологи увидели в стимуляторах роста. И фантазия ученых нарисовала такое, что никакому Горацио и во сне не могло присниться. Лишь позднее убедились, что возможности ускорителей роста вполне скромны.
А началось с того, что в клетках, находящихся у самого окончания бесцветного чехла, закрывающего первичный листочек злаков — колеоптиля, заподозрили наличие вещества, сильно ускоряющего растяжение клеток и их рост. В начале второй мировой войны было и вправду открыто такое вещество — ауксин. Сначала его получали из верхушек колеоптиля кукурузы. Рассказывают, что это был труд добровольно приговоривших себя к «каторге» энтузиастов науки. Например, за 10 дней восемь лаборанток немецкого биохимика-фанатика по натуре и деспота на работе Ф. Кегля переработали 100 тысяч проростков, чтобы получить в результате количество вещества, достаточное лишь для установления кислой природы ауксина. Кегль прикинул в уме, что для того, чтобы добыть из колеоптиля кукурузы 250 миллиграммов ауксина, его лаборанткам придется проработать, не прерываясь на сон и еду, по крайней мере 400 лет, и, говорят, крепко опечалился — все же долгонько!
Собственно говоря, под названием ауксина, как оказалось, скрывался целый ряд веществ — регуляторов роста. Важнейшее из них получило название гетероауксина, хотя и представляет собой лишь β-индолилуксусную кислоту, в просторечии названную кратко и выразительно — ИУК. Она образуется дрожжами, грибами и бактериями. ИУК нашла применение в сельском хозяйстве и на садово-огородных участках для ускорения образования корней у черенков различных растений и их более быстрого укоренения. Ныне ауксины запросто синтезируют, получая патент за патентом (а у нас — авторские свидетельства). Но наибольшее внимание из синтезированных ауксинов привлекла особенно активная β-нафтилуксусная кислота. Ее хватает для ускорения образования корней у черенков даже при концентрации 1:100 000.
В некоторых странах печально известно заболевание молодых растений риса, вызываемое грибом Gibberella fujikuroi, который представляет — биологи на любой заклад идут — половую форму гриба Fusarium moniliforme (о роде фузариум все наслышаны, а moniliformis в переводе с латыни означает «четкообразный»). При этом заболевании большая часть растений гибла, но некоторые обнаруживали, к изумлению фитопатологов, очень быстрый рост стеблей и листьев. Это ускорение, как оказалось, вызывали соединения, представляющие собой продукты обмена веществ гриба, ныне увековеченного в названии вновь открытых соединений — гиббереллинов. Они оказались мощными стимуляторами роста не только для риса.
Сейчас их известно около 24, обозначаемых A1, А2, А3 и т. д. (а иногда — гиббереллиновая кислота — ГК1, ГК2, ГК3 и т. д.). Прелюбопытнейшим свойством гиббереллинов оказалась их способность стимулировать цветение растений, принадлежащих к так называемым растениям длинного дня, цветение которых ускоряется на севере с продолжительным летним световым днем. Биохимик, рассказывая о гиббереллинах, непременно подчеркнет, что это терпеноиды, и потому для их биосинтеза необходимы радикал ацетила СН3СО- и мевалоновая кислота, не вздумайте это оспаривать, обидите человека.
Наибольшее применение гиббереллин нашел у пивоваров для ускорения прорастания ячменя при изготовлении солода и для выгонки сверхплановых урожаев бескосточковых сортов винограда.
Ныне генетики и физиологи ломают голову: первые стараются выяснить, индуцируют ли гиббереллины синтез специфических информационных РНК на ДНК, а вторые решают, не связаны ли они каким-то образом с функцией светочувствительного белка растений фитохрома.
За годы изнурительной работы выделена еще группа соединений, оказывающих сильное стимулирующее действие на деление растительных клеток, — цитокинины, из которых наиболее активным оказался кинетин, по-свойски называемый биохимиками 6-фурфурилметиламинопурином. Сильным стимулятором деления растительных клеток из цитокининов стала дифенилмочевина, выделенная из кокосового молока.
Из растений с годами были выделены и антиростовые вещества — природные ингибиторы роста. Тоже нужные растению соединения. Из них абсцизовая кислота — ярко выраженный антагонист гиббереллина. А потом были синтезированы антиметаболиты гиббереллинов — морфактины и физиологические антагонисты — ретарданты.
В целом растения имеют весьма совершенную ростовую систему, включающую ростовые вещества (ауксины), активаторы (гетероауксин), а также многочисленные и разнообразные тормозящие рост вещества, обладающие разным механизмом действия. Последние поддерживают и регулируют окончание естественного состояния покоя семян, клубней, клубнелуковиц и корнеплодов. Подробности этого действия во многом до сих пор не ясны. Точно известно лишь одно: рост невозможен без ростовых веществ, а покой обеспечен физиологически активными веществами.
Садоводы знают, что яблоки, хранящиеся одновременно с картофелем, задерживают прорастание клубней. Это объясняется тем, что яблоки выделяют этилен, который связывает и инактивирует ауксин клубней. Таким же свойством обладает летучий метиловый эфир нафтилуксусной кислоты. Причиной снижения способности к прорастанию семян может служить и очень высокое содержание ростовых веществ. Но в преобладающем числе случаев ростовые вещества не определяют перехода от покоя к росту, хотя, например, гетероауксин в присутствии кислорода усиливает дыхание растений и поглощение ими воды.
У люцерны обнаружен природный регулятор роста — триаконтанол — соединение спиртовой природы, включающее 30 атомов углерода. Он концентрируется главным образом в кутикуле — надкожице, покрывающей поверхность листьев. В концентрации 1 микрограмм на 1 литр воды триаконтанол повышает урожай картофеля на 20 процентов. Обработка им семян овощных культур усиливает рост растений и повышает урожайность на 17—25 процентов. Полагают, что триаконтанол активирует некоторые ферменты или влияет на мембраны, интенсифицируя процессы метаболизма — обмена веществ.
Большой специфичностью действия, угнетая прорастание и рост одних растений (сорняков) и не оказывая заметного действия на другие (культурные растения), обладают гербициды — вещества, «убивающие травы», — так переводится этот термин. Среди них получил широкое применение в сельском хозяйстве феноксиуксусная кислота и некоторые ее производные (2,4-Д, 2-М-4-Х, например). Последние уничтожают две трети сорняков при дозе 1 килограмм на 1 гектар. К ним достаточно безразличны пшеница, просо и овес.
В зависимости от концентрации гербицид может угнетать или стимулировать рост одного и того же растения. Более чувствительны к гербицидам растения, произрастающие в тени, на влажной почве, богатой питательными веществами и особенно азотом. При понижении температуры гербициды действуют слабее, с повышением — круче. При температуре выше 25— 30 °С степень избирательного действия может резко упасть. Во избежание неприятных сюрпризов агрономы предпочитают применять гербициды в нежаркую пасмурную погоду. Большинство применяемых гербицидов обладает малой токсичностью для теплокровных животных и людей, но есть и очень опасные во всех отношениях (динитроортокрезол, эндотал, паракват и др.).
В средствах защиты растений числятся и антибиотики. Так, антимицин даже при разведении 1:50 000 000 полностью угнетает рост вредителей-грибов на луке, рапсе, горохе и винограде. Биохимики с его помощью подавляют процесс дыхания или окисления каких-либо веществ. Правда, встречаются растения, которые сами управляются с вредными микроорганизмами, так как содержат антибактериальные и противогрибковые вещества. Пары и экстракты лука и чеснока убивают даже холерные бактерии. Найденный в луке и чесноке антибиотик назван аллицином.
Фитонцидным (антимикробным) действием обладают газы, выделяемые листьями акации, дуба, ольхи и смородины. Хлорогеновая кислота, содержащаяся в картофеле, предохраняет его в меру своих возможностей от фитофторы; бензойная, оксибензойная, кофейная и хлорогеновые кислоты — от грибов, вредящих моркови. От пизатина зависит устойчивость к грибам гороха — столь любимого лакомства детворы.
Мы очень много знаем о значении витаминов для человека и совсем мало о роли их для самих растений, в которых они образуются. В Большой Советской Энциклопедии можно найти такое определение: «Витамины — группа органических соединений разнообразной химической природы, необходимых для питания человека и животных и имеющих огромное значение для нормального обмена веществ и жизнедеятельности организма. Витамины выполняют в организме те или иные каталитические функции и требуются в ничтожных количествах по сравнению с основными питательными веществами». Но, обратите внимание, «…необходимых для питания человека и животных…» — о растениях ни слова. А ведь они и растениям определенно зачем-то нужны.
Из любопытных фактов давно было отмечено снижение содержания каротина. Чуть позднее выяснилось, что избыточное содержание калия, сдерживая падение содержания витамина С при перекормке азотом, снижает накопление растением каротина. Ну и что?
К растительным гормонам со временем были отнесены витамины B1 и В6, поскольку они «путешествуют» по растению и регулируют определенные физиологические процессы. Ныне выяснена роль микроэлементов в биосинтезе витаминов растений. Бор, например, входит в комплексные соединения с пиридоксином (витамином В6), аскорбиновой кислотой (С) и рибофлавином (В2), участвуя к тому же в окислительно-восстановительных процессах, в углеводном и белковом обмене.
Подкормка лимонов бором и цинком увеличивает их урожай и повышает содержание в них витамина С. А у картофеля содержание витамина С повышает подкормка растений марганцем и цинком.
Во многом обеспечение витаминами растения зависит от почвенных и симбиотических микроорганизмов, снабжающих их тиамином (B1), рибофлавином (В2), никотиновой кислотой (РР), пиридоксином (В6), пантотеновой кислотой, биотином (Н), мезоинозитом, n-аминобензойной кислотой, каротиноидами, эргостерином и др. Как известно, даже простое намачивание семян в растворе тиамина увеличивает рост проростков на треть у некоторых сортов пшеницы. Заметно усиливает ростовые процессы наклюнувшихся семян никотиновая кислота. Рост проростков пшеницы, фасоли и гороха усиливается витаминами B1, РР и В2, а у фасоли иногда ведет даже к повышению урожая. Предпосевная обработка семян салата никотиновой кислотой (0,01 процента) в течение суток ускоряет всхожесть семян, усиливает рост надземных частей и способствует увеличению урожая. К слову, чтобы из семян не вымывались тиамин, рибофлавин и никотиновая кислота, не стоит замачивать семена овощных культур в воде более двух суток.
Тиамин играет важную роль при росте корней, аскорбиновая кислота — при росте побегов. Сильно растущие растения, как правило, содержат особенно много аскорбиновой кислоты. Небезынтересно, что аскорбиновая кислота отсутствует в сухих семенах, но образуется уже при их набухании, даже в отсутствие света. Ночью, как известно, содержание аскорбиновой кислоты в растениях падает.
Растения во много раз «разумнее» такого высокоорганизованного существа, как человек. Во-первых, сами себя растения в массовых масштабах не губят — они не знают планетарных войн, хотя порой такие и у них случаются в микромасштабах. Во-вторых, растения с легкостью производят активные вещества, которые не способны создать животные клетки. Совершенство и производительность «химических лабораторий» растений вызывают зависть нобелевских лауреатов — ведь по сей день ученые не могут воссоздать не только растительную клетку, но и свою собственную — человеческую (а казалось бы, чего проще!).
Ускорители роста растений и их «анти» играют кардинальную роль в наиболее перспективной для человечества отрасли биологии — биотехнологии. Это настолько молодая наука, что точного ее определения пока еще никто толком не дал. В сущности, биотехнология сама по себе сверхмногоотраслевая наука. Она едина в одном — всегда использует физиологически активные вещества, синтезируемые растениями. Для биологов не секрет, что в среду Уайта, применяемую для культивирования микроспор (пыльцы) в пыльниках, входят тиамин, пиридоксин и никотиновая кислота; в среду Нич для культивирования пыльников и в среду Нич и Охияма для культивирования гаплоидных (с одинарным — не двойным, как обычно, набором хромосом) протопластов — никотиновая кислота, пиридоксин, тиамин, фолиевая кислота, α-нафтилуксусная кислота (НУК) и 2,4-Д. Упомянутые здесь ростовые и «анти» входят и в другие классические среды для культивирования клеток, органоидов (отдельных частей клеток) и органов растений.
Культивация клеток — ныне своеобразный культ, покоривший умы биохимиков, физиологов и генетиков. Оно и понятно, ведь изолированные клетки живых организмов способны синтезировать вещества, присущие им in vivo, то есть в теле живого организма, — витамины, гормоны, алкалоиды, кумарины, стероиды и так далее. А если в них вправить (или, наоборот, удалить) особые специфические гены, то они могут резко увеличить выработку нужных человечеству веществ.
Сыграла свою особую роль биотехнология и в селекции растений. На основе регенерации (восстановления в целом виде) из культуры тканей и органов растений получены высокопродуктивные формы подсолнечника. В Китае с помощью культуры пыльников выведены короткостебельные, скороспелые и высокоурожайные сорта риса. На планете с помощью биотехнологии получены интересные сорта ячменя, перца, мака, люцерны, винограда, тополя, яблони и масличного рапса. У последнего растения, проведенного через культуру пыльников, уменьшили и надеются уменьшить еще более содержание вредных гликозидных соединений.
При выращивании молодых эмбрионов на питательных средах с «ускорителями» и «замедлителями» роста добились завязывания жизнеспособных семян у межродовых гибридов: ячмень Х рожь, элимус Х пшеница, трипсакум Х кукуруза. На искусственных питательных средах удается слить воедино соматические клетки не только разных видов, но и родов.
Экономически целесообразно размножение в культуре тканей сортов цветов: орхидей, агав, бегоний, хризантем, цикламена, драцены, ириса, лилий, нарцисса, флокса и других. Из меристем (наиболее интенсивно делящихся образовательных тканей) в культуре тканей получают безвирусные или почти безвирусные растения для семеноводческих посевов. Благодаря этому удается сохранить сорта растений, пользующихся всенародной или даже мировой славой. Таковы, например, старые сорта винограда, используемые для производства вин, которые за столетия заслужили мировую известность. Десятилетиями держатся сорта картофеля, отвечающие особым условиям для выработки хлопьев, чипсов, гранул, замороженного, консервированного и жареного «французского картофеля».
Биотехнология помогает придать старым излюбленным сортам улучшенный товарный вид, повысить их продуктивность, а то и качество без потери основных вкусовых достоинств.
Последнее порой достигается и без ухищрений биотехнологии. Так, в США была учтена приверженность американцев к апельсинам оранжевой окраски (предполагаем, что такой приверженностью «страдает» и наше население, несмотря на навязчивую рекламу зеленых плодов). Обработка апельсинов биорегулятором с несколько труднозапоминаемым названием [(2-парадиэтиламиноэтоксибензаль) — параметоксиацетонфенон] в течение десяти дней повышает содержание каротиноидов в 16 раз и придает апельсинам чуть ли не бордовую (а иногда именно ее) окраску. Для тех же, кого смущает «кровавая» окраска, плоды обрабатывают другими биорегуляторами — диэтилоктиламином и диэтилнониламином. Они увеличивают содержание каротиноидов умеренно (в 2—5 раз), и плоды приобретают ярко-оранжевый цвет.
Искусственному дозариванию зеленых плодов томата помогает обработка их регуляторами роста: зарубежным препаратом этрелом, отечественным — гидрелом, дигидрелом или декстрелом (они равноценны по физиологической активности). За 7—10 дней хранения при температуре 18—20 °С обработанные этими препаратами плоды созревают на 90 процентов. Искусственно дозаренные плоды по питательной ценности ничуть не уступают естественно дозревшим.