Гаметициды и их применение в селекции

хлорзамещенных алифатаче-ских кислот. Были синтезированы 4 соединения,

биологическая активность которых (в данном случае гербицидная) варьировала

в зависимости от степени хлорирования и место

[pic]

положения хлора: (далапон); при кон

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

У соединения

активность при тех же

[pic]

концентрациях составляла соответственно 77 и 100%.

19

[pic]

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 препарата не имеет прямо

пропорциональной зависимости от концентрации вещества, что свидетельствует

о сугубо физиологической активности соединения, связанной с особенностями

метаболизма растения.

В исследованиях по биохимизму действия ряда гербицидов 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

фосфорелирования — результат угнетения активности многочисленных 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 .изменялось

соотношение сульфгидрильных и дисульфидных групп, входящих в состав

активных центров многочисленных энзимов, участвующих в разнообразных

ферментативных комплексах [13]. Кроме того, установлено повышенное

содержание изофлавоновых глюкозидов и изменение их состава при o6pai6oTKe

растений 2,4Д [22].

Появление хинонов — продуктов окислительного превращения фенольных

соединений с высокой биологической активностью и их взаимодействие с амино-

и сульфгидрильны-ми группами белков, сульфгидрильными группами аскорбиновой

кислоты и другими SH-содержащими компонентами клетки обусловливают

блокирование целых систем энзимати-чески взаимосвязанных комплексов. От

окислительно-восстановительных условий и энергетических возможностей ткани,

особенно спорогенной, зависят синтез и обмен важнейших органических

соединений.

20

Характерными признаками ЦМС у сорго являются угнетение окислительно-

восстановительных процессов и снижение энергетического обмена [41].

Различия в активностях АТФ'азы обнаруживались у стерильных аналогов уже в

фазе тетрад и сохранялись в дальнейшем на всех фазах развития микроопор

[16]. Среди соединений с гаметоцидными свойствами 2,4Д снижает содержание

АТФ и АДФ — адениннук-леотидов, основных аккумуляторов энергии в клетке.

Установлено, что 2,4Д ингибирует активность аденилаткиназы — фермента,

осуществляющего равновесное соотношение компонентов аденилатного пула: 2

АДФ ^ АМФ+ДТФ [21].

Растительные гормоны, проявившие гаметоцидные свойства (2,4Д, ИУК, НУК,

ГКз и т. п.), могут индуцировать мужскую стерильность на тех уровнях

метаболических процессов, на которых они оказывают свое регуляторное

действие:

на уровне генома, мембран, аллостерического эффекта. Возможно 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 ауксины [25], может служить

молекулярно-биологической интерпретацией 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 активность энзимов, связанных с метаболизмом углеводов,

определяющих 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]. Повышение активности глюканазных энзимов

взаимосвязано с процессами 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 утилизацию глюкозы путем

активации энзима УДФ-зависимой глю-кансинтетазы, локализованной в пределах

аппарата Гольд-21

жи, что способствует формированию и повышенному содержанию глюканов,

галактанов и пентозанов [42]. Подобным образом 2,4Д включается в один из

уровней метаболизма клетки (через углеводы, путем активации плазменной,

связанной с мембранами глюкансинтетазы), что способствует утилизации УДФ-

арабинозы я увеличению количества связанных остатков арабинозы с галактаном

[136]. Повышение числа сшивок в молекулах галактана изменяет пластичность

клеточных стенок. Вместе с тем аккумуляция 2,4Д в мембранах вызывает

нарушение комплекса связанного с мембранами белкового фактора, который

обусловливает активность PHiK полимеразы, транскрибирующей определенные

мРНК [66].

В опытах по конкурентному вытеснению связанных эффек-торов (производные

феноксиуксусной кислоты и ИУК) наглядно продемонстрировано, что связывание

биологически активных хлорированных производных мембранами (эффектор-

рецептор) носит специфический характер [14]. Изменяя функциональную

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 ферменты,

преобразующие углеводные компоненты мембран и клеточных оболочек.

Возрастающая при этом проницаемость может вызывать нарушение селективной

изоляция формирующихся тетрад с последующим их деградированием.

Предполагают, что каллозная оболочка функционирует как «молекулярный

фильтр», позволяющий проникать внутрь материнских клеток пыльцы основным

питательным элементам, за исключением больших молекул. Последние в эту

раннюю фазу могут помешать установлению автономии ядра гаплоид-ной споры в

пределах собственной цитоплазмы [98].

Химическая изоляция материнских клеток пыльцы в стадии тетрад от

окружающей диплоидной цитоплазмы является необходимой предпосылкой

нормального развития пыльцы [94]. Установлено, что меченый тимидин

поступает в материнские клетки пыльцы только до формирования каллозной

оболочки, но не проникает, если они заключены в каллозу [72]. При изменении

последней и освобождении тетрад метка свободно поступала в микроспоры. Эти

наблюдения позволили сделать вывод о функционировании каллозной оболочки

как «молекулярного фильтра».

Каллозное покрытие материнских клеток пыльцы функционировало как

молекулярное сито: каллоза пропускала глюкозу и углекислый натрий, но

задерживала фенилаланин, размер молекулы которого гораздо меньше глюкозы и

он 22

должен был бы легко проникать в материнские клетки пыльцы [123]. Выводы J.

Heslop-iHarrison и A. Mckenzie [72] также сомнительны, так как метка могла

не включаться ввиду отсутствия синтеза ДНК. В других исследованиях

показано, что роль каллозной оболочки значительно сложнее, чем «простого

молекулярного фильтра» [4, 130].

ПОСТУПЛЕНИЕ В РАСТЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В НИХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ

ВЕЩЕСТВ

Для успешного поиска химических соединений, обладающих высокой

селективностью гаметоцидного действия, необходима информация о поступлении

и распределении экзрген-но наносимого на стебли и листья препарата. Степень

поступления и скорость распределения химических соединений зависят от морфо-

физиологических особенностей листовой пластинки, химических характеристик

наносимого препарата, окружающих условий и других факторов. У различных

видов культурных растений, с которыми проводили эксперименты с целью

химической индукции мужской стерильности, в значительной степени варьирует

толщина кутикулы и соотношение ее компонентов (воск, кутан, пектин,

целлюлоза), а также внешняя эпидермальная оболочка [44, 56, 60, 65, 69,

75].

С помощью химических методов анализа исследовали ку-тикулярный слой

листьев 24 видов овощных и плодовых культур [77]. Установлено разнообразие

в составе и соотношении веществ листовой поверхности и значительные

различия в толщине и составе мембраны кутикулы. Однако основные структурные

компоненты кутикулы характерны для всех растений. Кут.ин представляет собой

полимолекулярную сеть гид-рокси-карбокоильных кислот с простыми и сложными

эфирными связями. С кутанным матриксом связаны полисахар.иды и кутикулярный

и этикулярный воск, богатый алканами. Так как в кутикуле имеются полярные и

неполярные группы, она обладает как гидрофильными, так и липофильными

свойствами [45].

Одним из важных факторов, определяющих степень эффективности действия

гаметоцида, является зависимость его. активности от климатических и

погодных условий, которые необходимо учитывать при разработке доз и

концентраций для конкретных возделываемых культур и представляющих их

сортов. Однако до сих пор не удалось установить четких взаимосвязей между

влиянием условий среды и проницаемостью листовой поверхности, хотя развитие

кутикулы коррели-

23

рует с продолжительностью светового периода, инсоляцией, влажностью почвы и

воздуха, температурой [81].

Температурный режим является одним ,из самых определяющих условий

развития кутикулы и распределения наносимого препарата [83]. При нанесении

препарата в разные фазы органогенеза следует учитывать, что с возрастом

листа снижается абсорбционная способность. Р. М. Nelson и R. К. Reid fl05]

доказали, что метиловые эфиры жирных кислот — Lg-ii вызывают гибель

меристематических тканей, но не разрушают более зрелые ткани. Механизм

такой селективности основан на способности кутикулы действовать как барьер

проницаемости по отношению к наносимому препарату. Это было подтверждено

разрушением кутикулы до нанесения эмульсии (4%-ный метил-деканоат+0,1%-ный

твин 20). Гибель ткани (ожоги) — результат нарушения структуры мембран.

Авторы считают, что твин снижает проницаемость кутикулы и плохо проникает

через кутикулу зрелых листьев.

Поверхностное применение гаметоцидных препаратов с использованием

радиоактивной метки показало, что при нанесении на лист гаметоциды быстро

транслокализуются в репродуктивные органы. Нанесение химикатов на базальную

часть листа обеспечивало более полное поглощение препарата, чем на

апикальную часть. В репродуктивных тканях активно аккумулировались

гаметоциды.

Наиболее подробно абсорбционные особенности химических препаратов изучали

на гербицидах. Детально были исследованы ответные реакции растений двух

сортов капусты, характеризующиеся различной чувствительностью к нитрофе-ну

(2,4-дихлорфенил-р-нитрофениловый эфир) [113]. У обоих сортов не было

обнаружено заметных различий в скорости прорастания семян, росте растений,

плотности устьиц листьев и в транслокализации меченого '^С гербицида.

Однако у растений устойчивого к препарату сорта листья обладали более

восковидной поверхностью, что позволило сделать вывод о корреляции между

блокированием абсорбции и содержанием воска в кутикуле.

Проникновение соединений в ткани листа обусловлено и другими факторами,

характеризующими применяемый раствор: температурой, концентрацией,

продолжительностью времени его соприкосновения с поверхностью растений,

поверхностным натяжением и др. Проникновение веществ возрастает

пропорционально времени и концентрации. Поступление соединения из раствора

в ткани листа осуществляется до тех пор, пока его доза на поверхности листа

или под кутикулой не станет предельной. В полевых условиях эффективность

действия и поступление нанесенного препарата зависят от

24

сложного взаимодействия климатических факторов и внутренних физиологических

тканевых параметров (водный дефицит, значение рН в клетке, концентрация

цнтоплазматиче-ского сока и т. д.).

В ткани листа легче проникают недиссоциирующие молекулы. Повышение

температуры от 10 до 30° увеличивает проницаемость кутикулы и мембран, за

исключением промежутка между 15" и 25°, в пределах которого поступление

носит относительно стабильный характер. Если опрыскивание проводят под

давлением, растворы проникают в основном через устьица, однако вещества с

поверхностным натяжением, близким к поверхностному натяжению воды (70

дин/см2), через устьица не проникают ,[54].

При селективности абсорбции у наиболее распространенных видов

сельскохозяйственных культур по отношению к 2,4Д (который обладает и

гаметоцидными свойствами) установлено, что толщина кутикулы является

решающим фактором, а толщина и структура оболочек эпидермальных клеток не

имеют определяющего значения для степени абсорбции препарата. При этом

абсорбционные характеристики старых и молодых листьев значительно

отличались и в обоих случаях зависели от химических свойств препарата.

На проростках конских бобов поглощение листьями меченого по углероду

'^'^^-хлор-о-толил) окиси] бутиловой кислоты было одинаковым для листьев

всех возрастов. Однако замена бутиловой кислоты на радикал уксусной кислоты

вызывала различия в поглощении молодыми (скорее) и более зрелыми

(медленнее) листьями [92]. Таким образом, даже слегка измененная

конфигурация молекулы может в значительной степени повлиять на ее

способность проникать через мембраны [126].

Пока не установлено четкой взаимосвязи между химическими, физическими

характеристиками и проницаемостью препарата в системе клеток.

С помощью энзиматически изолированной кутикулы листьев была создана шкала

проницаемости кутикулы по отношению к ряду алифатических спиртов и их

амидов [138]. Соединения выбирали по способности растворять липиды и по

моле< кулярньш весам. Результаты опытов показали, что кутикула

функционирует в основном как липоидная мембрана, позволяющая веществам

проникать в клетку пассивной диффузией согласно их растворимости в липидах.

Модель молекулярного сита больше подходит для молекул малых размеров.

Коэффициенты проницаемости алифатических спиртов располагаются от этанола к

пентанолу: этанол2,3- и 3,5-ди-

хлорфеноксиуксусная >2-хлорфенокоиуксусная>фенокс.иук-сусная кислота. Чем

больше полярность феноксиуксусной кислоты, тем легче она проникает через

мембраны [53]. Хлорирование увеличивает растворение феноксиуксусной кислоты

в л.ипидах и тем самым способствует ее проникновению через кутикулу [127].

Хлорирование бензойной кислоты, наоборот, снижает степень проникновения

через кутикулу, и шкала ее проницаемости располагается в нисходящем

порядке: 2-хлорбензойная кислота, 2,4- и 2,5-дихлорбензойная и 2,3,6-

три.хлорбензойная кислота. J. L. Stoddart [132] объясняет это низкой

растворимостью галогенопроизводных бензойной кислоты при заданных рН (2,5;

3,5 и 5,2) в липидах. Степень хлорирования, фто-рирования и метилирования

препаратов обусловливает их биологическую активность и токсичность действия

на растительный организм.

Избирательная способность по отношению к абсорбции различных веществ

растительными тканями связана с физическими свойствами соединений, включая

константу их диссоциации при различной степени хлорирования, фторирова-ния,

метилирования и т. д., а также скорость их распределения в липидной фазе

при данной рН [23, 24, 91]. При обработ-26

ке растений препаратами их проницаемость могут улучшать некоторые

вспомогательные вещества, особенно поверхностно-активные (ПАВ), которые

улучшают контакт между препаратом и поверхностью листа, а также повышают

степень проникновения препарата в растительный организм. Так, абсорбция

2,4Д возрастала в 7—8 раз при введении в раствор тви-на 80 (концентрация

1%) [57].

С помощью '^I" и "'I" метки изучали «крепление» на поверхности листьев

сои препарата ТИБА (2,3,5-тр.ийодбензой-ная кислота) в концентрации 200 мг

[110]. (ТИБА относится к веществам, обладающим гаметоцидной активностью).

Были взяты четыре формы солей ТИБА (натриевая, диметил-амин, диэтиламин и

триэтила'мин) в сочетании с четырьмя ПАВ: твин 20 (полдокоиэтилен сорбитан

монолаурат), тритон 100 (октил фенокоиполиэтоксиэтанол) — оба неионные ПАВ;

арквад 50 (алкил четвертичный аммоний хлорид) —ка-тионное ПАВ и игепон Т-77

(натрий 1\Г-метил-1\Г-омоил та-урат) — анионное ПАВ. Все ПАВ исследовали в

двух концентрациях — 500 и 2000 мг/кг.

Взаимосвязь физико-химических свойств ПА1В и их концентраций с формами

солей ТИБА носила сложный характер. ПАВ оказывали значительное влияние на

закрепление препарата на растениях, а наибольшая разница в степени

«крепления» солей ТИБА встречалась в пределах неионных ПАВ. Следовательно,

это лимитирует выбор ПАВ среди неионных классов, свидетельствуя о их

неспецифичности по сравнению с ионорганическими классами ПАВ.

Физиологическая активность препарата зависела от подбора ПАВ. Низкие

концентрации ионных ПАВ (500 мг/кг) достаточны для достижения максимума

прикрепления нанесенного препарата. Не было отмечено взаимосвязи между

формами солей и ПАВ. Во всех случаях для эффективной абсорбции требовалась

высокая концентрация неионного ПАВ (2000 мг/кг), высокие же концентрации

ионных ПАВ не улучшали степени закрепления препарата, что свидетельствует о

физико-химической взаимосвязи, включающейся в комплекс проницаемости [11

б].

Активность препарата в основном проявляется при возрастании концентрации

этиленокоида в ПАВ, когда его молекулы становятся более гидрофильными или

соотношение гидрофильных (ГФ) группировок к липофильным (ЛФ) в молекуле ПАВ

довольно высокое. Таким образом, для каждого химического соединения с

гаметоцидной активностью подбор ПАВ и его концентраций зависит от физиолого-

химических свойств активного ингредиента.

27

Степень абсорбции препарата растительными тканями во многом зависит от

соотношения группировок ГФ/ЛФ в молекуле ПАВ для определенных концентраций

гаметоцида. В опытах с энзиматически изолированной кутикулой листьев груши

получены результаты, свидетельствующие об изменении проницаемости 2,4Д в

зависимости от значения ГФ/ЛФ (106]. При величине соотношения у ПАВ ГФ/ЛФ,

равной 16,7, не отмечено изменений проницаемости в шкале концентрация 2,4Д

от 0,05 до 1%. Другое неионное ПАВ с ГФ/ЛФ=8,6 способствовало увеличению

абсорбции 2,4Д в 10 раз при значениях его концентраций, близких к 1%.

Третье неионное и высоколипофильное ПАВ (ГФ/ЛФ =4,3) увеличивало поглощение

2,4Д в 15 раз при всех заданных концентрациях от 0,1 до 1%. Эти

исследования показали важную роль активного ингредиента, сопутствующего

ПАВ, в регуляции абсорбции.

Опыты по поглощению и распределению метазола [2-(3,3-дихлордион)] в

смеси с ПАВ (полисборбатом) при различных соотношениях ГФ/ЛФ подтвердили,

что эффект ПАВ обратно пропорционален значению ГФ/ЛФ. Среди различных

параметров для достижения высокого эффекта абсорбции гаметоцида тканями

соотношение ГФ/ЛФ в молекулах ПАВ— наиболее влиятельный фактор,

определяющий степень абсорбции. Трудность подбора такого ПАВ для каждого

определенного гаметоцида связана с тем, что соотношение ГФ/ЛФ может в

значительной степени координироваться сложной взаимосвязью химических и

физических свойств активности ингредиентов смеси, морфологическими и

цитологическими особенностями листа. Поэтому для каждой культуры необходим

дифференцированный подход при подборе ПАВ для получения оптимального

эффекта химической индукции мужской стерильности, вызываемой гаметоцидом.

Некоторые неионные ПАВ силикон-гликолевой природы по сравнению со

стандартными неионными органическими ПАВ могут в большей степени повышать

эффективность химически активных веществ благодаря улучшению абсорбции

тканями. Однако эта группа ПАВ, обладающая большей эффективностью, чем

катионные аминосиликоны, имеет отрицательное свойство — низкую

растворимость в воде [86]. Несмотря на это при всем разнообразии

применяемых в сельском хозяйстве химически активных веществ, в том числе и

гаметоцидов, имеется возможность объединить препараты на основании

одинакового характера абсорбции, что облегчило бы поиск и рекомендации ПАВ

для этих групп.

Характер абсорбции некоторых фторсоединений подобен абсорбции 2,4,5-Т.

Препараты наносили на листья капельным методом в смеси с ПАВ,

характеризующимися различным со-

28

отношением ГФ/ЛФ: полиоксиэтилен (ГФ/ЛФ=20), сорби-тан монолаурат

(ГФ/ЛФ=16,7), сорбитан моностеарат (ГФ/ЛФ =9,6) и полиоксиэтилен

(ГФ/ЛФ=4). В июне наиболее эффективным было применение ПАВ в соотношении

ГФ/ЛФ =9,6, в июле—августе — с соотношением 16,7. Абсорбция веществ,

нанесенных на лист, осуществляется через трихомы и устьица, откуда

соединения распределяются латераль-но через эпидермальные клетки. При

исследовании по подбору .ПАВ для эффективной абсорбции веществ с

гаметоцидной активностью для каждого вида необходимо учитывать (кроме

.физико-химических характеристик самого препарата) стадию .развития

растения и возрастные изменения морфологических характеристик листа,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6