Введение к работе
Актуальность проблемы. Поиск биологически активных веществ, выяснение их физиологического действия и возможностей применения полученных веществ в различных отраслях народного хозяйства являются одной из целей биохимической науки. Вторичные метаболиты высших растений, обладающие рострегулируюшим действием, представляют в этом плане несомненный интерес. Такие вещества часто бывают хорошо растворимы в воде и обладают высокой биодоступностью. Эти свойства природных рострегулирующих соединений как нельзя лучше подходят для создания на их основе препаратов для растениеводства. В то же время методы органического синтеза позволяют получать аналоги природных соединений с заданными характеристиками и устранять их нежелательные свойства.
Одними из самых малочисленных и малоизученных вторичных метаболитов высших растений являются циклопентеновые ДД -трикетоны, выделенные из растений родов Lindera, Calythrix и Piper. Для этих веществ известно несколько видов биологического действия, в том числе противогрибковое, но их влияние на высшие растения не изучаюсь. Также известны многочисленные синтетические аналоги природных циклопентеновых р,Р '-трикетонов с различной степенью структурного сходства. Для некоторых из них бьша показана возможность регуляции роста растений, однако систематического исследования влияния структуры циклопентановых /3,/?'-трикетонов на их рострегулирующую активность, а также на физиологические и биохимические процессы растений не проводилось, отсутствуют данные и о взаимодействии циклопентановых ДД -трикетонов с потенциальными белками-мишенями растений. Использование методов биотестирования, клеточной биологии, биохимии и компьютерного моделирования позволит определить характер влияния циклопентановых Д/? '-трикетонов на процессы жизнедеятельсности высших растений и возможность разработки на их основе действенных препаратов для сельского хозяйства.
Цель и задачи исследования. Цель исследования заключалась в изучении рострегулирующей активности и механизма действия ряда природных и синтетических циклопентановых ДД'-трикетонов и их производных в отношении проростков некоторых сельскохозяйственных культур. В рамках поставленной цели предполагалось решить следующие задачи: 1) изучить рострегулирующую активность циклопентановых ДД-трикетонов и их производных в отношении проростков Cacumis sativus L. и Fagopyrum esculentum Moench.; провести анализ
влияния структуры трикетонов на их активность; 2) исследовать влияние трикетонов на ультраструктуру меристематических клеток корневого чехлика проростков Cucumis sativus L.; 3) изучить влияние трикетонов на состав и содержание свободных аминокислот в корнях проростков Fagopyrum esculentum Moench.; 4) провести компьютерное моделирование пространственной структуры циклопентановых РФ '-трикетонов и их комплексов с потенциальным белком-мишенью; 5) оценить в полевых опытах действие циклопентановых рф '-трикетонов на рост и продуктивность гречихи Fagopyrum esculentum Moench.
Научная новизна и практическая ценность работы. Впервые показано влияние природного циклопентенового ДД'-трикетона корусканона В и его метилового енольного эфира корусканона А на рост проростков высших растений. Проведено систематическое изучение влияния структуры природных и синтетических циклопентановых ДД '-трикетонов на их рострегулирующую активность. Отмечено стимулирование работы белок-синтетического аппарата меристематических клеток проростков и увеличение в корнях проростков содержания общего растворимого белка на фоне ингибирования их роста. Показано, что под действием этих соединений увеличивается содержание аминокислот, принимающих участие в защите растений от стрессовых повреждений клеток. Впервые получены теоретические модели пространственных структур комплексов циклопентановых ДД'-трикетонов с ферментом гиббереллин-Зр-диоксигеназой. Показано, что изученные соединения проявляют свойства ретардантов - регуляторов роста, способствующих большей устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды и, тем самым, повышающих урожайность сельскохозяйственных культур. В полевых экспериментах показано, что обработка посевов гречихи Fagopyrum esculentum растворами некоторых циклопентановых Д/? '-трикетонов в концентрации 1 мкг/мл приводит к увеличению урожайности на 1.1-1.7 ц/га в зависимости от способа обработки. Эти результаты свидетельствуют о получении нового типа регуляторов роста растений и целесообразности введения их в практику воздельтания гречихи в южных районах Приморского края.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на II Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2005), IX Дальневосточной молодежной школе-конференции по актуальным проблемам химии и биологии (МЭС ТИБОХ
ДВО РАН, 2005), IV Всероссийской конференции «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2006), X и XI Международных молодежных школах-конференциях по актуальным проблемам химии и биологии (МЭС ТИБОХ ДВО РАН, 2006, 2007), 11-ой Международной молодежной школе-конференции «Биология -наука XXI века» (Пушино, 2007) и 1-ом Международном симпозиуме по наукам о жизни (Владивосток, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи и 7 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из следующих разделов: введение, литературный обзор, материалы и методы, обсуждение результатов, заключение, выводы, список литературы и приложения. Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 30 таблиц, 18 рисунков и 4 схемы. Список литературы включает 235 цитируемых работ.
Автор выражает благодарность своим научным руководителям доктору
биологических наук, профессору Михаилу Михайловичу Анисимову и доктору
химических наук, старшему научному сотруднику Вячеславу Леонидовичу Новикову.
Автор выражает признательность кандидату химических наук, старшему научному
сотруднику Ольге Петровне Шестак, предоставившей вещества для исследований,
кандидату физико-математических наук Галине Николаевне Лихацкой, выполнившей
компьютерное моделирование, доктору биологических наук, профессору Анатолию
Васильевичу Реунову, организовавшему электронно-микроскопические
исследования, ведущему инженеру контрольно-аналитической лаборатории ТИБОХ ДВО РАН Людмиле Яковлевне Тищенко за помощь в организации аминокислотного анализа и всем сотрудникам лаборатории биоиспытаний и механизма действия БАВ ТИБОХ ДВО РАН. Также автор выражает благодарность Анне Михайловне Сахно и Андрею Михайловичу Чибиряеву, без поддержки которых эта работа не состоялась бы или не была бы закончена.
