БІОНЕОРГАНІЧНА ТА БІООРГАНІЧНА ХІМІЯ - М.В. Яцков - 2014
III.ПРИРОДНІ КАТАЛІЗАТОРИ, РЕГУЛЯТОРИ ТА СТИМУЛЯТОРИ БІОХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
3.3. Регулятори росту і розвитку рослин
Рослинні гормони були відкриті на початку XX ст. і названі фітогормонами або стимуляторами росту рослин.
Фітогормони являють собою органічні, порівняно низькомолекулярні ендогенні сполуки, за допомогою яких здійснюється взаємодія клітин, тканин та органів, і які в малих кількостях необхідні для протікання та регуляції фізіологічних процесів. Для всіх фітогормонів характерні такі загальні риси:
1. Насамперед вони являють собою низькомолекулярні сполуки небілкової природи.
2. Фітогормони присутні в тканинах у вільному фізіологічно активному стані і в дуже низьких концентраціях.
3. Вони вільно дифундують з однієї клітини до іншої, що дозволяє їм взаємодіяти з різними клітинами і тканинами рослини.
4. Фітогормони включають і регулюють цілі фізіологічні процеси, такі, наприклад, як поділ клітин, коренеутворення, цвітіння тощо. Загальний принцип їхньої дії полягає в тому, що вони взаємодіють з регуляторами субстанціями в мембрані і безпосередньо з регуляторними білками, які забезпечують функціонування генів.
На сьогоднішній день знайдено та вивчено близько 5000 сполук (хімічного, мікробного та рослинного походження), яким властива регуляторна дія, але в світовій практиці використовується лише близько 50. Це свідчить про те, що їх широке виробництво і застосування тільки починається.
Регулятори росту рослин поділяють на:
стимулятори - речовини, які безпосередньо стимулюють ріст насіння і рослин;
дефоліанти - речовини, що викликають передчасне опадання листя;
десіканти - речовини, що видаляють надлишок квітів і зав’язі;
ретарданти - речовини, що підвищують стійкість стебла рослин.
Найбільшого поширення у вітчизняному рослинництві набули препарати природного походження, які виробляють шляхом вирощування в штучних умовах мікроскопічних грибів, а також біологічно активних речовин з кореневої системи женьшеню та інших цілющих рослин.
Відомо, що одним з основних механізмів дії природних регуляторів росту рослин (фітогормонів) є модифікація функціонування клітинного геному, прискорення транспортних процесів у мембранах і посилення надходження в клітини окремих метаболітів та елементів живлення. Одночасно під їхнім впливом посилюється робота H+-помпи і транспортних процесів, прискорюються процеси транскрипції, активізується синтез основних біомакромолекул РНК і білків. Усі ці реакції на молекулярному рівні є основою інтенсифікації фізіологічних процесів та поділу клітин і, як результат, інтегрального росту і розвитку рослин.
Найбільш поширені стимулятори - це три класи органічних сполук: індолілкарбонові кислоти; кініни; гібберліни.
Індолілкарбонові кислоти - це гетероауксин і його похідні. Тобто це нітрогенвмісні гетероциклічні сполуки.
Кініни - це ряд ненасичених спиртів групи аденіну. З числа синтетичних аналогів найбільш відомий кінетин - 6-фурфурил- амінопурин та ауксин.
Найбільш ефективний результат дає сумісне використання двох груп: гібберлінів та кінінів.
Гібберліни - виділені з деяких грибів, найбільш відома з них гібберелова кислота.
Основним компонентом більшості регуляторів росту є збалансований комплекс природних ростових речовин - фітогормонів, цитокінінової та гібберлінової природи, вуглеводи, амінокислоти, жирні кислоти, мікроелементи.
Сучасні регулятори росту рослин - це природні або синтетичні сполуки, які використовують для обробки рослин з метою ініціювання змін у процесах їх життєдіяльності для покращення якості рослинного матеріалу, збільшення врожайності, полегшення збирання і зберігання врожаю. Використання регуляторів росту веде до змін в обміні речовин, аналогічних до тих, що виникають під впливом зовнішніх умов (тривалість дня, температура тощо), що дуже важливо в умовах низької вологозабезпеченості південного степу України, де кількість вологи гостро лімітує процеси метаболізму. Тобто регулятори росту - це не поживні речовини, а фактори керування ростом і розвитком рослин.
Роль ауксину у фізіологічній активності рослин дуже велика і багатогранна. Він бере участь в регуляції поділу, розтягненні та диференціації клітин. Деякі автори вважають, що роль ауксину полягає у створенні умов, необхідних для реплікації ДНК, тобто в стимулюванні синтезу РНК та білків. Ауксин також здатний впливати на фотосинтез, синтез вторинних речовин, на рух асиміляторів та мінеральних речовин по рослині.
Фізіологічна активність цитокінінів, як і ауксинів, поліфункціональна. Стимуляція поділу клітин є основною властивістю цитокінінів. У численних експериментах на великій кількості рослинних об’єктів чітко показана роль цитокініну як стимулятора поділу клітин. У 1957 р. було виявлено вплив цитокінінів на ріст клітин. Активізація росту клітин цитокініном тісно пов’язана з великими змінами структури і біохімічних процесів у них: активізується синтез РНК та білку, посилюється синтез багатьох ферментів, стимулюється ріст і поділ хлоропластів, формування внутрішньоклітинної мембранної системи. Важливу роль відіграють цитокініни у підвищенні стійкості рослин до несприятливих факторів середовища: різких коливань температури, посухи, підвищеної концентрації солей, токсичності хімічних речовин, грибкової та вірусної інфекцій.
Що стосується механізмів дії цитокінінів, то встановлено, що вони активізують синтез білків завдяки посиленню притоку метаболітів, необхідних для синтезу білка та РНК.
Гібберліни стимулюють активність різних мікросистем рослини. Поряд зі стимуляцією росту стебла вони посилюють ріст квітконіжок і пилкових трубок, стимулюють збільшення розмірів квіток і суцвіть, кількості квітконосів, активізують гідролітичні і ряд інших ферментів, подовжують ювенільний період, індукують цвітіння у довго денних рослин в умовах короткого дня тощо.
Новітні регулятори росту за санітарно-гігієнічною класифікацією відносяться до нетоксичних речовин. Вони позитивно діють на рослину, підвищуючи енергію проростання та розвиток рослин, швидко трансформуються ґрунтовими мікроорганізмами, рослинними клітинами.
Добре зарекомендувало себе і торфоперегнійне добриво «Тонак», яке виготовляють з торфу та гною ВРХ. Воно містить в собі 1,61,8% N, 0,4-0,5% Р2О5 та 0,4-0,5% K2O. Не поступається зазначеному вище добриву й торфопослідне добриво «Конкурент». Його основа - торф і курячий послід. Воно містить 0,7% N, 0,6% Р205 та 0,6% К2O. Це добриво сприяє підвищенню вмісту гумусу, врожайності як овочевих, ягідних так і баштанних культур, формуванню екологічно чистої продукції, досягненню її високої якості. Вносять його в дозах: 1 кг/м2 з обов’язковим загортанням на глибину 10-15 см.
Заслуговує на увагу також і торфомінеральне добриво «Гермафос», яке у 2-3 рази ефективніше за перегній. Додавання до його складу Фосфору та вапна посилює діяльність мікроорганізмів, що розкладають торф. Зазначені добрива виготовляє концерн «Укрторф2. Такі добрива за своєю ефективністю наближаються до гною і дають можливість дуже швидко окультурити бідні та еродовані грунти: збільшивши вміст гумусу і кількість поживних речовин, можна стабільно одержувати на них високі врожаї та значні прибутки. Є й інші види добрив на основі торфу.
Особливу цінність має стимулятор росту - Гумат (калію чи натрію), що є продуктом взаємодії торфу з водним розчином КОН або NaOH. При внесенні в грунт він активізує життєдіяльність мікроорганізмів, які синтезують біологічно активні речовини та сприяють кращому засвоєнню поживних речовин і стимулюють синтез білків, вуглеводів і вітамінів. Окрім того, Гумат прискорює достигання врожаю, підвищує та поліпшує його якість.
У розв’язку проблеми виведення агропромислового комплексу з кризового стану важлива роль належить впровадженню в землеробство регуляторів росту рослин нового покоління, які за ефективністю, екологічними та технологічними показниками не мають аналогів у світі. Наукові дослідження і практика свідчать, що вітчизняні біостимулятори здатні підвищувати врожайність основних польових культур на 10-30%.
За останні десятиріччя в Україні дозволено до використання 53 біостимулятори та 14 регуляторів росту рослин. Сучасні біостимулюючі препарати потребують дуже малих норм внесення, які становлять десятки грамів чи міліграмів на тонну насіння або гектар посівів.
Одним з різновидів біостимуляторів росту і розвитку рослин є «Вермістим», що виготовляється з вермикомпосту та являє собою високогумусовану речовину у вигляді розчину, до складу якого входять гумати, фульвокислоти, амінокислоти, вітаміни, природні фітогормони, мікро- і макроелементи, спори ґрунтових мікроорганізмів і бактеріостатичних білків, чого немає у більшості стимуляторів. Його використовують як при обробці насіння в дозі 8-10 л/га, так і для прикореневого і позакореневого підживлення. Вермістим підвищує імунітет рослин до різних захворювань, приморозків та посух, зменшує кількість нітратів та нітритів, важких металів та радіонуклеотидів, покращує смакові якості. Позитивна його дія позначається на інтенсивному рості кореневої системи.
В Україні організовано промислове виробництво 13 біостимулюючих препаратів на базі Дії «Міжвідомчий науково-технічний цент «Агробіотех»». Українські регулятори росту рослин створені в межах галузевої програми Мінпромполітики: Біолан, Біосил, Біомас, Радостям, Агростимулін, Зеастимулін, Бетастимулін, Чаркою, Люцис, Трептолем, Івін та Потейтін. Біолан і Радостям отримали право використання для екологічного землеробства.
За період з 1999 р. до 2008 р. нашими фахівцями апробовано понад 60 фізіологічно активних речовин та розроблено і опрацьовано сучасні технології застосування регуляторів росту на посівах соняшника та сої, головними серед яких є допосівна обробка насіннєвого матеріалу та обприскування посівів у фазі росту 4-6-ти пар справжніх листків. Застосування даних технологічних прийомів дозволяє збільшити врожайність вищезгаданих сільськогосподарських культур від 2 до 6 ц/га.
У 2010 році ТОВ «Компанія насіннєвої торгівлі» зареєструвала нові органічні біостимулятори на основі рослинних амінокислот «Фертігрейн Старт» і «Фертігрейн Фоліар», призначені для застосування на зернових та інших польових культурах.
Біостимулятор «Фентігрейн Старт» призначений для передпосівної обробки насіння польових культур (зернових колосових культур, вівса, рису, кукурудзи, соняшника, рапсу, сої, гороху), а також передпосадкової обробки бульб картоплі. Препарат наноситься безпосередньо на насіння методом протравлення, у тому числі разом з фунгіцидними та інсектицидними протравлювачами. Оптимальна норма витрати - 1 л на тонну насіння при витраті робочого розчину 10 л/т.
Передпосівна обробка насіння препаратом «Фертігрейн Старт» забезпечує високий відсоток схожості, знижуючи кількість непророслого насіння. Озимі посіви краще переносять зимові примхи і раніше відновлюють вегетацію. Істотно підвищується коефіцієнт кущіння і кількість продуктивних стебел, а також зростають число зерен в колосі та середня маса зерна.
Регулятори росту рослин - це природні або синтетичні сполуки, які здатні викликати в організмі рослин зміни в обміні речовин, керуючи їх ростом і розвитком. Це своєрідний допінг, який інтенсифікує синтез РНК і білків. Вони посилюють імунну стійкість та стійкість до вірусних, бактеріальних і грибкових захворювань та знижують негативний вплив пестицидів.
Вперше англійські біохіміки запропонували гормони стимулятори росту тварин. Для швидкого росту молодняку телят, поросят використовують соматостатин - природний антагоніст соматропного (ростового) гормону, який блокує його синтез, за рахунок цього соматропний гормон діє швидше і енергійніше і приріст збільшується в 2 рази.
Проблема захисту рослин і тварин від шкідників виникла давно. Сьогодні відомо понад 70 тис. різних видів комах, які наносять шкоду людині, тваринам, сільському господарству, тому хімічна дія на шкідників є і була актуальною. Зараз використовують близько 3000 хімічних сполук, які застосовують для захисту рослин і тварин. Також є актуальною проблемою сучасного сільськогосподарського виробництва і розробка технологій, що сприяють підвищенню врожайності і в той же час є екологічно безпечними для навколишнього середовища і здоров’я людини. До таких технологій відносять розробку і впровадження у виробництво науково-обгрунтованих і екологічно безпечних засобів боротьби з бур’янами і шкідниками та регулятори росту рослин, які називають загальною назвою - пестициди.
Пестицидами називаються хімічні засоби захисту рослин та тварин від шкідників хвороб та бур’янів. Пестициди поділяють на 6 груп в залежності від того, які організми вони вражають.
Бактерициди - засоби боротьби проти шкідливих бактерій.
Гербіциди - хімічні засоби боротьби з бур’янами.
Інсектициди - хімічні засоби для знищення комах-шкідників рослин, а також комах-паразитів, які є переносниками різних захворювань.
Репеленти - засоби захисту тварин, людей, рослин від нападу шкідливих комах шляхом їх відлякування.
Фунгіциди - засоби боротьби з грибковими захворюваннями і хворобами рослин.
Хемостерилізатори - речовини, що зменшують або взагалі знищують здатність шкідливих комах до розмноження.
До всіх цих пестицидів використовують вимоги, а саме:
- при високій токсичності до конкретних шкідників пестицид повинен бути малотоксичним (ГД>1000 мг/кг) для людини, тварин, а також рослин, корисних комах і мікроорганізмів;
- стійкість препарату в природних умовах не повинна бути високою (термін розкладу препарату не повинен бути більший, ніж 6 місяців);
- особливе значення слід приділяти можливій дії пестицидів на генофонд людини, тварин та корисних комах і рослин та їх потенційну канцерогенність.
Гербіциди
Гербіциди поділяють за способом дії на 2 групи: гербіциди тотальної дії, які знищують всі види рослин та гербіциди вибіркової дії (селективні), які знищують рослини окремих видів. Ці дві групи в свою чергу поділяють на контактні та системні.
Контактні - це ті гербіциди, які діють при контакті хімічної речовини з наземною частиною рослини. Системні - діють на рослину зсередини, попадаючи з грунтовим розчином або при контакті рослин з препаратом.
До гербіцидів тотальної дії відносять речовини, які використовують для стерилізації грунту, такі як NaCl, бура. Сюди ж можна віднести керосин, який знищує всі рослини, але не стерилізує грунт. До другої групи відносять похідні арилоксикарбонових кислот, з яких найбільш широко відомий
2,4-дихлорфеноксиацетатна кислота (2,4-д) або 2-метил-4-хлорфеноксиацетатна кислота (2-м-4-х), які мають гербіцидну дію в концентраціях >0,01%, а при концентраціях <0,001% використовуються як стимулятори росту рослин. При високих концентраціях ці речовини можуть використовуватись, як гербіциди тотальної дії. Також використовуються естери цих кислот.
Як гербіциди використовують також речовини групи триазину, які вперше були відкриті ще у 1955 р. Представником цієї групи є 2-хлор-4,6-диетиламіносимтриазин (симазин, пропазин тощо). Ці речовини є малотоксичними для теплокровних тварин і не діють на більшість культурних рослин (морква, капуста, томати, огірки), але знищують бур’яни. Тому їх відносять до гербіцидів селективної дії.
В 1980 р. вперше були запатентовані гербіциди групи сечовини, наприклад «глин», повна назва якого хлорсульфофурон.
В даний час є багато інших розробок як закордонних так і вітчизняних. З вітчизняних найбільш відомі гербіциди «Пріма», «Пума» тощо.
Інсектициди
Інсектициди, як і гербіциди поділяють за способом дії на контактні та системні. Контактні інсектициди вбивають комах при попаданні на зовнішні органи комах або покров. Системні інсектициди попадають через рослини і роблять ці рослини токсин- ними для комах. З контактних найбільш відомий ДДТ (4,4- дихлордифенілтрихлоретан), який був відкритий ще у 1948 р. і за який Міллер отримав Нобелівську премію. Основна його заслуга - доступність у виробництві і дешевизна. Однак він був заборонений ще в 1980 р., оскільки поліхлорпохідні сполуки дуже стійкі і повільно розкладаються в природних умовах і накопичуються в живих організмах, крім того в комах спостерігається звикання до препарату (резистентність). Інша група інсектицидів - піретрини, які є аналогом природного інсектициду піретрума, який добувають з ромашки. Він не дає резистентності, крім того є нетоксичним для теплокровних тварин, але малостійкий в зберіганні.
Крім того широко відомий інсектицид «Ротенон» (метил бромід), сполуки Флуору, нікотин, які зараз мало використовують, оскільки спостерігається їх накопичення в грунті. В даний час найчастіше використовують синтетичні органічні сполуки фосфорорганічні, сульфурорганічні, карбамати тощо. Загальний їх недолік (особливо фосфорорганічних) - це токсичність для рослин та теплокровних тварин, тому заміна Фосфору на Сульфур зменшує токсичність цих препаратів. Всі ці сполуки в природі дезактивуються в процесі гідролізу і окисно-відновних реакцій, які відбуваються в грунті.
З системних інсектицидів найбільш відомі етери і аміди дитіофосфатної кислоти, наприклад, фосфамід, антіо тощо. Вони теж дезактивуються гідролізом ефірних груп і метаболізм яких не перевищує З тижнів.
Фунгіциди
Фунгіциди, як правило, частіше використовуються для профілактики захворювань рослин, ніж лікування. Найчастіше - це неорганічні сульфурвмісні та купрумвмісні речовини, з яких найбільш відома «бордоська суміш» - це суміш гашеного вапна і мідного купоросу.
З органічних речовин - використовують формальдегід, який є токсичним і тому не має широкого використання. Найчастіше використовуються синтетичні органічні фунгіциди - дитіокарбомати та антибіотики типу стрептоміцину.
Ці фунгіциди є малотоксичними і успішно використовуються проти грибкових захворювань.