Biskupské gymnázium v Ostravě

Dolní 31, 700 30 Ostrava - Zábřeh

Seminární práce z Biologie

Téma: Fytohormony

2004/2005 Šigut Ladislav

Obsah:

1. Růstové regulátory

1.1 Aplikace růstových regulátorů

1.2 Fytohormony – základní pojmy

1.2.1 Mechanizmus účinků hormonů

1.2.2 Genetické metody ve studiu fytohormonů

1.3 Auxiny

1.3.1 Objev auxinu

1.3.2 Auxin a jeho syntetická analoga

1.3.3 Hladina auxinu v rostlinách

1.3.4 Antiauxiny a inhibitory transportu IAA

1.3.5 Hlavní fyziologické účinky auxinů

1.3.6 Možnosti využití auxinů v rostlinné výrobě

1.4 Cytokininy

1.4.1 Přirozené a syntetické cytokininy

1.4.2 Anticytokininy

1.4.3 Hlavní fyziologické účinky cytokininů

1.4.4 Mechanizmus účinku cytokininů

1.4.5 Využití cytokininů v rostlinné výrobě

1.5 Gibereliny

1.5.1 Gibereliny v rostlinách

1.5.2 Hlavní fyziologické účinky giberelinů

1.5.3 Možnosti využití giberelinů v rostlinné výrobě

1.6 Kyselina abscisová

1.6.1 Struktura a výskyt kyseliny abscisové 1.6.2 Hlavní fyziologické účinky kyseliny abscisové

1.6.3 Možnosti využití kyseliny abscisové v rostlinné výrobě

1.7 Etylen

1.7.1 Historie objevu etylenu

1.7.2 Hlavní fyziologické účinky etylenu

1.7.3 Možnosti využití etylenu a látek jej uvolňujících v rostlinné výrobě

1.8 Ostatní růstové regulátory

1. Růstové regulátory

Koncem minulého i na počátku našeho století byl růst vysvětlován převážně v souvislosti

s procesy výživy. Ale již tehdy vyslovil německý botanik Julius von Sachs (1832-1897)

domněnku o existenci chemických signálů (tzv. morfogenů), kterými mohou vzájemně

komunikovat jednotlivé orgány rostlin. Tento koncept byl výrazně rozpracován brněnským

profesorem R. Dostálem (1885-1973) za použití experimentálně morfologických přístupů.

Příkladem může být růst klíčních rostlin hrachu po odříznutí vrchní části lodyhy a jedné

dělohy. Po tomto zásahu rostl pouze pupen v úžlabí odříznuté dělohy, přestože měl redukovat

výživu, což svědčilo o inhibičním vlivu děloh na růst pupenů v jejich úžlabí. Od té doby se

nahromadilo mnoho údajů o látkách, které regulují růstové a vývojové procesy u rostlin.

Obecně je nazýváme růstové regulátory. Tento obecný název však neodlišuje látky přirozené

od látek synteticky připravených. Přirozené regulátory růstu lze rozdělit do dvou skupin:

rostlinné hormony (fytohormony) a další látky s regulační aktivitou. Ve starší literatuře

byly tyto látky často děleny na látky růst stimulující a látky růst inhibující. Dnes však víme,

že toto dělení je zavádějící, že látka v určité koncentraci stimulační může může v jiné

koncentraci inhibovat, a víme, že účinek regulačních látek závisí na konkrétním genotypu,

stáří a fyziologickém stavu rostliny. Proto již zmíněné dělení většinou nepoužíváme.

1.1 Aplikace růstových regulátorů

Regulační aktivita nějaké endogenně se vyskytující látky se obvykle testuje jako účinek její

aplikace. Je však třeba mít na paměti, že při aplikacích ve většině případů výrazně zvyšujeme

hladinu testované látky v rostlině, měníme průběh přirozených gradientů koncentrací a často

můžeme vyvolat stresovou reakci. Exogenně dodaná látka nemusí být po svém příjmu

kompartmentována a metabolizována stejně jako látka endogenní. Systémy, ve kterých vliv

růstově regulačních látek obvykle testujeme, bývají segmenty rostlin (koleoptile, listy nebo

dokonce jen jejich části apod.), které na aplikaci dané látky výrazně reagují. Ale při těchto

testech jsou segmenty vyjmuty z korelačních vlivů ostatních částí rostliny a testovaná látka

z přirozené interakce s ostatními růstovými regulátory. Intaktní rostlina může na aplikaci

reagovat jinak nebo vůbec nereagovat. Jako příklad uveďme dobře popsaný stimulační vliv

auxinů na prodlužovací růst segmentů koleoptilií trav: růst koleoptile intaktní rostliny

exogenně aplikovanými auxiny ovlivněn není. K tomu přistupuje jako další, situaci

komplikující faktor heterogennost pletiv, a to i v tak jednoduchém orgánu, jako je koleoptile.

A je velmi pravděpodobné, že různé typy buněk budou reagovat na tutéž látku odlišně. Je tedy

nutné odezvu rostliny či jejích orgánů na aplikaci nějaké látky považovat za sumu reakcí

jednotlivých pletiv až buněk. Toto vše máme mít na mysli při čtení dalšího textu o účincích

růstově regulačních látek.

1.2 Fytohormony – základní pojmy

Na základě určitých analogií s působením hormonů živočišných je pět skupin endogenních

růstových regulátorů považováno za rostlinné hormony. Jsou to auxiny, cytokininy,

gibereliny, kyselina abscisová a etylen. Mimo ně existuje v rostlinách množství látek

s růstově regulační aktivitou, které mezi hormony řazeny nejsou, neboť jsou účinné ve

vyšších koncentracích či neznáme dostatečně obecnost jejich působení. Jsou to zejména

brassinosteroidy, polyaminy, kyselina jasmonová, oligosachariny a velká skupina

fenolických látek.

Rostlinné hormony se liší od hormonů živočišných v mnoha aspektech. Rostliny

nemají specifické žlázy s vnitřní sekrecí, které by hormony vytvářely, a většina fytohormonů

je syntetizována na více místech v rostlině. Koncentrační závislost účinku fytohormonů není

tak zřejmá jako u hormonů živočišných a může se pohybovat od stimulace k inhibici růstové

reakce. Fytohormony jsou výrazně méně specifické než hormony živočišné: každý

z fytohormonů ovlivňuje několik často odlišných procesů a naopak, týž proces bývá ovlivněn

větším počtem různých látek.

Na základě toho, co bylo řečeno v předchozím odstavci, bychom se mohli domnívat,

že mezi fytohormony a hormony živočišnými existují velmi velké rozdíly. Avšak studium

mechanizmu účinku fytohormonů ukázalo, že je tento mechanizmus velmi blízký

mechanizmu působení hormonů živočišných.

1.2.1 Mechanizmus účinků hormonů

Účinku hormonu musí vždy předcházet vazba na receptor (všechny doposud popsané

receptory jsou bílkoviny). Hormon se může vázat na receptor umístěný na membráně a signál

je pak dále do buňky přenášen systémem druhých poslů (second messenger) nebo hormon

proniká do buňky, váže se na rozpustný receptor v cytoplazmě a takto vzniklý komplex

proniká do jádra, kde vyvolá změnu v expresi některých genů. U rostlin bylo dodnes popsáno

mnoho bílkovin schopných vázat fytohormony, ať již membránových nebo

cytoplazmatických. S výjimkou jednoho receptoru pro auxin se však u žádné z nich

nepodařilo prokázat receptorovou funkci, což je důvodem toho, že jsou obvykle nazývány

vazebná místa.

U živočichů známe dva základní systémy druhých poslů: systém cyklického

adenozinmonofosfátu (cAMP) a systém fosfoinozitidový, kdy v obou případech vzniká

aktivní komplex schopný aktivovat proteinkinázy. V průběhu posledních 10 let byl

nashromážděn dostatek důkazů, že signální systémy u rostlin jsou téměř úplně stejné jako u

živočichů.

Fytohormony jsou také schopny ve velmi krátké době vyvolat či zastavit expresi

některých genů. U některých těchto genů jsou již známy sekvence v promotorech specifické

pro působení jednotlivých hormonů.

I když na první pohled se rostlinné a živočišné hormony od sebe dosti liší, jejich

mechanismus účinku je v podstatě stejný. Není tedy žádný důvod výraz hormon u rostlin

nepoužívat.

1.2.2 Genetické metody ve studiu fytohormonů

S jakými problémy se setkáváme v interpretaci účinků aplikace fytohormonů, je popsáno

výše. Velmi významným nástrojem při řešení funkce a mechanizmu účinku fytohormonů se

v posledních letech staly přístupy genetické. Ty jsou v zásadě dva: využití mutantů

s genetickým blokem v syntéze některého hormonu nebo v reakci na něj nebo využitím

metod molekulární biologie kdy jsou často k transformaci použity uměle připravené vektory

nesoucí některé z genů určitých bakterií. Známe mutanty s nedostatkem giberelinů, kyseliny

abscisové a etylenu nebo mutanty k těmto hormonům necitlivé. Nejsou však známy žádné

takové mutanty pro auxiny a cytokininy. Je to způsobeno zřejmě tím, že taková mutace je

letální, a je to jeden z důvodů, proč právě auxiny a cytokininy jsou považovány za

nejdůležitější fytohormony.

1.3 Auxiny

1.3.1 Objev auxinu

Auxin je nejdéle známým rostlinným fytohormonem; jeho existence byla prokázána ve 20.

letech 20. století. Objev auxinu vyšel ze studia fototropizmu a gravitropizmu, které započal

Charles Darwin. Podstatu tropizmů se podařilo vysvětlit F. W. Wentovi v letech 1926-28 při

práci s koleoptilemi ovsa. Prokázal, že špičky koleoptilií produkují látku, která difunduje do

agaru a stimuluje prodlužovací růst – odtud i jméno auxin (v řečtině auxein znamená růst,

zvětšovat se). Struktura této látky byla stanovena až o několik let později, víceméně náhodně.

Při hledání látek aktivních v ovesném koleoptilovém testu získal Kögl (1933) z lidské moči

aktivní látky, z nichž jedna, nazvaná heteroauxin, byla identifikována jako kyselina indolyl-

3-octová (IAA). Tato kyselina byla též nalezena v kvasinkách a teprve v roce 1946 ve vyšší

rostlině, a to v nezralých obilkách kukuřice. Od té doby byl výskyt IAA potvrzen v celé škále

druhů vyšších rostlin, bakterií, hub i řas.

1.3.2 Auxin a jeho syntetická analoga

Kyselina indolyl-3-octová byla dlouho jediným známým přirozeným auxinem. V rostlinách

bylo nalezeno celé spektrum idolových sloučenin, z nichž mnohé jsou v metabolickém vztahu

k IAA, ale nevykazují biologickou aktivitu.

Při hledání látek s růstově regulační aktivitou byla nalezena řada syntetických látek

s účinky podobnými účinkům IAA. Tyto látky nazýváme syntetické auxiny. Jejich

společným znakem je aromatický kruhový systém (s výjimkou alkyltiokarbamátů), v jehož

postranním řetězci je umístěna karboxylová skupina (nebo skupina na karboxylovou snadno

převeditelná). Všechny dosud známé syntetické auxiny jsou slabé organické kyseliny. Mezi

aromatickým kruhem a karboxylovou skupinou musí být alespoň jeden uhlíkový (nebo

kyslíkový atom).

Pro přehlednost lze syntetické auxiny rozdělit do čtyř skupin:

1. naftalenové kyseliny: nejdůležitější je α-naftyl-octová kyselina (NAA),

2. chlorfenoxykyseliny: Kyselina 2,4-dichlorfenoxyoctová (2,4-D),

3. benzoové kyseliny a

4. deriváty kyseliny pikolinové: picloram.

1.3.3 Hladina auxinu v rostlinách

Již z klasických pokusů F. Wenta je zřejmé, že IAA je syntetizována na vrcholu koleoptile

a transportována bazipetálně, od vrcholu k bázi. V souladu s touto představou se snižuje

hladina IAA u jednoděložných rostlin od vrcholu k bázi a podobně u dvouděložných rostlin,

s tím rozdílem, že nejvyšší hladina je v subapikální zóně, která nejrychleji roste. Auxin je

syntetizován rovněž v mladých listech, květních orgánech a vyvíjejích se plodech, zejména

v semenech. Obsah IAA koreluje s růstovou intenzitou, a to nejen u stonků a koleoptilií, ale

např. u listů. V kambiu stromů stoupá obsah IAA na jaře v souvislosti s růstem pupenů (zdroj

IAA) a dosahuje maxima v době nejintenzivnější činnosti kambia. Obsah IAA závisí taky na

stáří orgánů; bývá vysoký v mladých, intenzivně rostoucích orgánech a se stářím klesá. Je

ovlivňován i vnějšími faktory, zejména zářením.

1.3.4 Antiauxiny a inhibitory transportu IAA

Antiauxiny jsou látky, které samy o sobě nemají žádnou růstovou aktivitu, ale inhibují účinek

auxinů. Známe 5 takových látek, ale jejich účinek není zdaleka stejný. Mechanizmus inhibice

většinou spočívá ve vazbě antiauxinu na bazálně umístěný receptor v plazmalemě, odlišný od

přenašeče IAA, a brzdí výtok IAA z buňky.

1.3.5 Hlavní fyziologické účinky auxinů

Stimulace prodlužovacího růstu

Nejlépe prostudovaným účinkem auxinů je stimulace prodlužovacího růstu (u rychle se

dloužících orgánů lze použít název prodlužovací růst mimo růstu objemového, který je

používán pro růst buněčný). Jen výjimečně můžeme tento účinek pozorovat u intaktních

rostlin (mají zřejmě dostatek endogenního auxinu), ale je snadno demonstrovatelný na

segmentech koleoptilií a stonků. S růstovou stimulací souvisí i úloha auxinu v regulaci

tropizmů (gravitropizmus, fototropizmus). Pod vlivem gravitace či jednostranného osvětlení

dochází k nerovnoměrné laterální distribuci IAA a v důsledku toho k nerovnoměrnému růstu a

ohybu. Stimulace růstu segmentů nadzemních částí je vyvolána auxinem v rozmezí optimální

koncentrace, u segmentů kořenů je tato koncentrace o 1-2 řády nižší. Vyšší koncentrace

naopak v řadě případů růst inhibují, často v důsledku zvýšené tvorby etylenu.

Apikální dominance

Polární transport auxinu je důležitý pro regulaci apikální dominance. Při odstranění vrcholu či

inhibici transportu auxinu dochází k uvolnění úžlabních pupenů z inhibice, a tím k jejich

růstu. Aktivace růstu je spojena obvykle s poklesem hladiny auxinu a zvýšením hladiny

cytokininů v úžlabních pupenech. Podobně je auxinem udržována dominance plodů – plod,

který transportuje nejvíce auxinu bazipetálně, nejvíce roste a brzdí růst dalších plodů.

Transport auxinu má svoji úlohu i v regulaci opadu listů a plodů. Buňky opadové zóny jsou

živé, dokud je funkční transport IAA touto zónou. V okamžiku jeho zastavení nastává lytický

proces a list nebo plod opadávají. Transport auxinu je nezbytný rovněž pro udržení polarity, a

to jak jednotlivých buněk, tak i orgánů a celé rostliny.

Stimulace zakořeňování

Dalším z výrazných růstových účinků auxinů je stimulace tvorby kořenů. Auxiny stimulují

tvorbu adventivních kořenů na segmentech stonků i u explantátů. Vzhledem k tomu, že

velmi aktivně podporuje zakořeňování IBA (kyselina indolyl-3-máselná), o které bylo

nedávno prokázáno, že je endogenním auxinem a může vznikat z IAA, není vyloučeno, že

právě tato látka reguluje zakořeňování.

Stimulace dělení buněk

Auxiny stimulují nejen prodlužovací růst buněk, ale i jejich dělení. Nejlépe je tento efekt

pozorovatelný na jaře, kdy mladé pupeny produkují auxin, který stimuluje buněčné dělení

kambia a také vývoj cévních svazků. Svým vlivem na polaritu auxin ovlivňuje i diferenciaci

buněk.

Auxiny jsou důležité rovněž pro vyvíjející se plody. Nezralá semena syntetizují IAA,

ta se hromadí v plodu a zvyšuje jeho schopnost atrahovat asimiláty.

Transgenní rostliny se zvýšeným obsahem IAA

Úlohu auxinů v mnoha zmíněných procesech si můžeme názorně demonstrovat na

transgenních rostlinách nesoucích geny bakterie Agrobakterie tumefaciens pro syntézu

auxinu. Takové rostliny mají výrazně zvýšeny hladiny IAA a pozorujeme u nich redukovaný

růst (supraoptimální hladinu IAA), zvýšenou apikální dominanci a zvýšenou tvorbu kořenů.

1.3.6 Možnosti využití auxinů v rostlinné výrobě

V praxi se většinou používají auxiny syntetické, IAA je pro praktické účely příliš nestálá.

Použití auxinů jako herbicidů bylo významné v minulosti, dnes je však z důvodu jejich

toxicity pro živočichy zakázáno. V zahradnictví se auxiny, používají ke stimulaci

zakořeňování řízků. Aplikací auxinů lze vyvolat opad nežádoucích plodů při vysokém

nasazení. Auxiny jsou spolu s cytokininy základní složkou médií pro tkáňové kultury.

1.4 Cytokininy

1.4.1 Přirozené a syntetické cytokininy

V současné době známe více než 30 přirozených cytokininů. Strukturně všechny vycházejí

z adeninu substituovaného na aminoskupině v poloze 6 – tato konfigurace je podmínkou

biologické aktivity. Modifikace adeninového skeletu či změna počtu atomů uhlíku

v postranním řetězci vede k značnému snížení až ztrátě biologické aktivity.

Hlavním místem biosyntézy cytokininů jsou kořeny, odkud jsou cytokininy

transportovány do nadzemní části xylémem. Přesto však za určitých podmínek se některé části

rostlin mohou stát autonomní a pravděpodobně produkovat cytokininy samy. Nejvyšší hladiny

cytokininů nacházíme v intenzivně se dělících a rostoucích pletivech. Koncentrace

cytokininůmůže být ovlivněna i dalšími hormony; např. vyšší hladiny auxinu a etylenu

potlačují akumulaci cytokininů.

1.4.2 Anticytokininy

Porozumění vztahů mezi strukturou a aktivitou cytokininů umožnilo přípravu látek, které

působí jako antagonisté cytokininů. Takové látky jsou cenným nástrojem pro studium

mechanizmu účinku cytokininů. Účinnými anticytokininy jsou různé deriváty pyrolové a

pyrazolové s modifikovaným postranním řetězcem.

1.4.3 Hlavní fyziologické účinky cytokininů

Buněčné dělení

Hlavním účinkem cytokininů je stimulace buněčného dělení. Ve všech melismatických,

intenzivně se dělících pletivech nacházíme vysoké koncentrace aktivních cytokininů.

Cytokininy ovlivňují některé reakce v buněčném cyklu, pravděpodobně stimulují některé

z mináž. Mají ale také významný vliv na replikaci DNA ve fázi S mitózy: zvyšují množství

počátků replikace, tzn. že zkracují replikony, urychlují přepis DNA a synchronizují buněčné

dělení v pletivech.

Regenerace orgánů

Tento účinek cytokininů je ve spojením s účinky auxinů základem regeneračních procesů in

vitro (a samozřejmě i in vivo, např. po poranění). Poměr koncentrací auxinů a cytokininů

rozhoduje o tom, jak bude regenerace probíhat. Jejich vyrovnaný poměr vede většinou

k tvorbě nediferencovaného pletiva, kalusu, nadbytek cytokininů vyvolává regeneraci prýtů a

nadbytek auxinů regenerací kořenů. Postupnými změnami média můžeme tedy dosáhnout

regenerace celé rostliny.

Apikální dominance

Cytokininy v tomto případě působí jako antagonisté auxinů, tj. potlačují apikální dominanci.

Aplikace cytokininů stimuluje větvení stonku. Po dekapitaci rostlin se zvyšuje obsah

cytokininů v úžlabních pupenech, jejichž růst je aktivován. Cytokininy stimulují nejen růst,

ale i zakládání pupenů.

Zpomalení stárnutí

Cytokininy výrazně zpomalují stárnutí, což se dá dobře demonstrovat u segmentů listů.

Takové segmenty na světle velmi rychle ztrácejí chlorofyl, žloutnou a začíná rozklad

nukleových kyselin i proteinů. Aplikace cytokininů proces stárnutí výrazně zpomalí.

Transgenní rostliny se zvýšeným obsahem cytokininů

Podobně jako u auxinů i v případě průkazu úlohy cytokininů v jednotlivých procesech lze

využít transgenní rostliny nesoucí gen půdní bakterie pro syntézu cytokininů. Takové rostliny

mají obvykle nižší vzrůst, více větví, špatně zakořeňují, mají často jiný tvar listů s vyšším

obsahem chlorofylu a mají výrazně zpomalené stárnutí. To vše platí za předpokladu, že obsah

cytokininů není příliš vysoký (asi 2-4 krát vyšší než u kontrolní rostliny). Pokud přesáhne

určitou hodnotu, získáváme deformované rostliny nebo nelze rostliny regenerovat vůbec a

transformované pletivo roste ve formě teratomu.

1.4.4 Mechanizmus účinku cytokininů

Cytokininy ovlivňují syntézu některých specifických enzymů, např. nitrátreduktázy, a to na

úrovni aktivace exprese genů kódujících tyto enzymy. Rovněž interakce s dalšími

fytohormony (IAA, kyselinou abscisovou) probíhá na úrovni exprese specifických genů.

1.4.5 Využití cytokininů v rostlinné výrobě

Nejvýznamnější praktickou aplikací cytokininů (spolu s auxiny) je jejich využití

v rostlinných biotechnologiích jako složek kultivačních médií. Řízená regenerace rostlin

umožňuje získání viruprostého materiálu, využití somaklonální variability a odvození rostlin

z transformovaných a haploidních buněk.

Dále se cytokininy využívají pro stimulaci větvení okrasných rostlin, v kombinaci

s gibereliny ke tvarování plodů některých odrůd jabloní. V raných fázích vývoje obilovin lze

působením cytokininů zvýšit odnožování. U všech obilovin aplikace cytokininů v době

kvetení zvyšuje počet zrn v klasech. Cytokininy také prodlužují období fotosyntetické

produktivity rostlin a zvyšují tak celkovou produkci biomasy. Perspektivní je rovněž použití

cytokininů při zvyšování odolnosti rostlin ke stresovým podmínkám.

1.5 Gibereliny

1.5.1 Gibereliny v rostlinách

Gibereliny můžeme rozdělit podle struktury do dvou skupin: na gibereliny s 19 a 20 atomy

uhlíku (gibereliny C-19 a C-20), kde gibereliny C-19 mohou vznikat z derivátů C-20.

Jednotlivé gibereliny se navíc liší i počtem a polohou hydroxylových a karboxylových skupin.

Tyto různé gibereliny mají různou aktivitu v různých růstových a vývojových procesech a

mohou se svojí aktivitou u různých rostlin lišit. Soubor aktivních giberelinů se také může

měnit v závislosti na stáří a může být odlišný i v jednotlivých orgánech jedné rostliny. Málo

aktivní gibereliny se obvykle považují za prekurzory či metabolity odbourání giberelinů

aktivních.

Gibereliny se tvoří pravděpodobně ve všech rostlinných orgánech. Nejvyšší hladiny

giberelinů nacházíme v místech aktivního růstu a nově se tvořících orgánů.

Gibereliny jsou transportovány ve floému, ale byly někdy detekovány i v xylému,

což svědčí o jejich syntéze v kořenech. Význam jejich transportu není dosud objasněn.

1.5.2 Hlavní fyziologické účinky giberelinů

Stimulace prodlužovacího růstu

Podobně jako auxiny i gibereliny významně stimulují prodlužovací růst. Na rozdíl od auxinů

se tento účinek týká pouze nadzemních částí rostlin; kořeny nejsou gibereliny ovlivněny.

Zatímco auxiny stimulují růst pouze u segmentů, gibereliny aktivují prodlužovací růst stonku

u intaktních rostlin. Stimulace prodlužovacího růstu je součtem zvýšené elongace i zvýšeného

dělení buněk (gibereliny stimulují přechod z fáze G1 do fáze S a fázi S obvykle zkracují). Jako

důkaz účasti giberelinů v regulaci prodlužovacího růstu mohou sloužit zakrslé mutanty rýže,

hrachu či kukuřice, u nichž mutace zasáhla některý z kroků biosyntézy giberelinů. V důsledku

toho mají tyto mutanty jen velmi nízkou hladinu giberelinů a jejich zakrslý růst lze aplikací

giberelinů kompenzovat.

Jarovizace

Některé rostliny musí projít určitým obdobím nízkých teplot, aby se staly citlivé k fotoperiodě

a mohly kvést. Reakci rostlin na jarovizaci provází vždy zvýšený prodlužovací růst a v mnoha

případech lze jarovizační požadavek eliminovat aplikací giberelinů. Proto se předpokládá, že

nízká teplota ovlivní syntézu nebo metabolismus giberelinů.

Indukce kvetení

Aplikace giberelinů indukuje kvetení u dlouhodenních rostlin, které ve vegetativním stavu

vytvářejí přízemní listovou růžici. Takový účinek však gibereliny nemají ani u ostatních

rostlin dlouhodenních, ani u rostlin krátkodenních nebo neutrálních. Protože indukce kvetení

u rostlin s přízemní růžicí listů byla vždy provázena i stimulací růstu stonku nesoucího květ,

dlouho se věřilo, že tyto procesy nelze oddělit. V poslední době se však ukázalo, že tomu tak

není a že gibereliny vysoce účinné ve vyvolání růstu stonku málo ovlivní kvetení a naopak.

Obecněji lze říci, že silné florigenní účinky byly zjištěny u vysoce polárních giberelinů

s větším počtem hydroxylových skupin, které se tvoří pod vlivem fotoperiody příznivé pro

kvetení. Zatím takové analýzy byly provedeny jen u několika rostlin a jen další studium může

ukázat, platí-li uvedený závěr obecně.

Gibereliny ovlivňují také pohlaví květů. Jejich aplikace zvyšuje u mnoha rostlin (např.

u okurky, špenátu nebo jehličnanů) tvorbu samčích květů a silně potlačuje tvorbu květů

samičích.

Stimulace klíčení

Gibereliny jsou významným endogenním regulátorem klíčení (a tedy i dormance) semen.

V embryu vyvíjejícího se semene se hromadí gibereliny ve vázané formě. Po nabobtnání

semen se gibereliny uvolní z vázané formy a embryo začíná syntetizovat gibereliny de novo

(tzn. na úrovni transkripce). U obilky ječmene, kde byl tento proces nejpodrobněji

prostudován, difundují pak volné gibereliny do aleuronové vrstvy, ve které indukují de novo

tvorbu α-amylázy a dalších hydrolitických enzymů. Hydrolitické enzymy přecházejí do

endospermu, kde odbourávají zásobní cukry a bílkoviny, a poskytují tak substráty bohaté na

energii a stavební kameny pro rostoucí embryo do doby, než se stane autotrofní. Indukce

α-amylázy je velmi účinně inhibována kyselinou abscisovou. Protože v semenech bývají

obsaženy oba tyto regulátory, je to zřejmě jejich vzájemný koncentračí poměr, který

rozhoduje o tom, jak dlouhá bude dormance a kdy semeno vyklíčí.

1.5.3 Možnosti využití giberelinů v rostlinné výrobě

Gibereliny se nejvíce používají v ovocnářství, aby se zvýšilo nasazení plodů (v případě révy i

k získání větších plodů). U cukrové třtiny gibereliny výrazně zvyšují výnos cukru v důsledku

zvýšeného prodlužování internodií. Šlechtitelé používají kyselinu giberelovou ke zkrácení

juvenilního období u jehličnanů. Inhibitory biosyntézy giberelinů – retardanty – se vužívají

k redukci prodlužovacího růstu zejména v zahradnictví, ale lze jej použít i v obilnářství.

1.6 Kyselina abscisová

1.6.1 Struktura a výskyt kyseliny abscisové

Kyselina abscisová (ABA) je seskviterpen s 15 uhlíkovými atomy a cyklickou částí

v molekule. Může se vyskytovat ve formě několika izomerů. Většina chemických změn

v molekule kyseliny abscisové vede ke značné redukci až ztrátě aktivity. Nejvíce kyseliny

abscisové se tvoří v dormantních orgánech (pupenech, semenech, hlízách), ale i v mladých,

rychle rostoucích pletivech (listech). Její tvorba je vyšší za krátkého dne a silně stoupá při

nedostatku vláhy.

Dále se kyselina abscisová tvoří v kořenových špičkách, ale v menších množstvích

v mnoha dalších orgánech. Transportuje se z kořenů do nadzemní části v xylému a v rámci

nadzemní části ve floému. Na buněčné úrovni je nejvíce volné ABA obsaženo

v chloroplastech, zatímco glukozidy se hromadí ve vakuole. Význam této kompartmentace

není znám.

1.6.2 Hlavní fyziologické účinky kyseliny abscisové

Inhibice prodlužovacího růstu

Rostoucí pletiva a orgány reagují většinou na aplikaci ABA snížením růstové rychlosti.

V tomto ohledu je účinek ABA antagonistický k účinkům auxinů a giberelinů. Inhibice

prodlužovacího růstu je provázena reorientací mikrotubulů podélně ve směru růstu. Často

nacházíme negativní korelaci mezi obsahem ABA a růstovou rychlostí, ale pod určitou

hraniční koncentrací je již růst na obsahu ABA nezávislý.

Stimulace opadu

Opačný účinek, tj. účinek růstově stimulační, má kyselina abscisová na buňky opadové zóny

(několikavrstevná zóna na rozhraní řapíku a čepele, řapíku a stonku, plodu a stopky apod.).

Zvýšením růstu buněk v této zóně je urychlen opad.

Urychlení stárnutí

Ve zralých pletivech brzdí kyselina abscisová metabolickou aktivitu, stimuluje degradační

procesy, a tak urychluje proces stárnutí.

Regulace dormance

V dormantních pupenech, semenech a hlízách nacházíme obvykle vysoký obsah ABA. U

semen (obilek) brání předčasnému vyklíčení vyvíjejícího se embrya, jak se můžeme

přesvědčit u některých mutantů s nedostatkem ABA, jejichž obilky klíčí již v klasech

(živorodost, viviparie). Sledujeme-li obsah ABA ve zrajícím semeni, na počátku vývoje silně

stoupá, zejména v embryu, a v druhé polovině zraní klesá, ale stoupá obsah vázaných forem

ABA. Klíčení semen či hlíz může začít teprve v okamžiku, kdy obsah ABA klesne pod

určitou hraniční hodnotu. Délka dormance není určována pouze kyselinou abscisovou, ale

vzájemným koncentračním poměrem ABA/gibereliny. Ten rozhoduje o tom, kdy semena

(hlízy) vyklíčí. kyselina abscisová ve zrajících semenech indukuje tvorbu specifických

zásobních proteinů.

Regulace vodního režimu rostlin

Regulace vodního režimu rostlin je asi nejdůležitější funkcí ABA. Při nedostatku vody vyvolá

ABA uzavření průduchů a mimo to zvýší hydraulickou vodivost kořenů. Nedostatek vody

vyvolá velmi rychlý vzrůst obsahu volné ABA v listech i v kořenech. Toto zvýšení trvá

několik hodin a odeznívá. Vystavíme-li nedostatku vody pouze kořeny, zvýší se obsah ABA

transportované v xylému do nadzemní části. Ta na tento signál reaguje zvýšení vlastní syntézy

ABA. Navíc při nedostatku vody v listech se ABA redistribuuje: přechází z mezofylu do

epidermis, kde vyvolá uzavření průduchů, a tak omezí transpiraci. Svěrací buňky syntetizují

vlastní ABA. Abscisová kyselina redukuje nejen negativní vliv nedostatku vláhy, ale i dalších

stresů, které nedostatek vody v buňce vyvolávají, jako nízkých teplot, zasolení apod. Proto je

kyselina abscisová považována za důležitý faktor obrany rostlin vůči stresům, případně

adaptace k nim.

Z dalších účinků kyseliny abscisové lze zmínit ještě možnou účast v regulaci

gravitropizmu a v regulaci heterofylie (tvorba dvou odlišných typů listů) u některých vodních

rostlin.

1.6.3 Možnosti využití kyseliny abscisové v rostlinné výrobě

Využití kyseliny abscisové je poměrně omezené. Největší využití asi nacházejí strukturní

analoga kyseliny abscisové, kterými lze zvýšit odolnost rostlin vůči stresovým podmínkám,

zejména vůči nedostatku vody a působení nízkých teplot.

1.7 Etylen

1.7.1 Historie objevu etylenu

Vliv svítiplynu na některé procesy u rostlin, především na opad listů, byl znám již koncem 19.

století. Ruský fyziolog D. N. Neljubov zjistil v r. 1901, že aktivní složkou svítiplynu je etylen.

Důkaz tvorby etylenu rostlinami byl však podán až ve třicátých letech. V té době již byla

známá řada účinků etylenu a ten byl užíván k defoliaci (odlistění) a dozrávání ovoce.

Mezníkem ve studiu etylenu se stal r. 1959, kdy byla poprvé ke stanovení etylenu použita

plynová chromatografie. Od té doby se datuje velký rozmach studia úlohy etylenu v regulaci

růstu a vývoje rostlin.

1.7.2 Hlavní fyziologické účinky etylenu

Etylen – plynný hormon

Etylen je jediný dosud známý plynný hormon, což jej výrazně odlišuje od ostatních

fytohormonů. Jeho koncentrace v buňce je velmi nízká, daná rozpustností v cytoplazmě.

Většina etylenu difunduje do mezibuněčných prostorů a dále průduchy do atmosféry. Jak tedy

může působit jako hormon? V cytoplazmě byla nalezena specifická vazebná místa pro etylen

a předpokládá se, že biologický účinek je zprostředkován vazbou na tyto bílkoviny. Etylen

uvolněný do atmosféry může ovlivnit i rostliny ve svém nejbližším okolí.

Inhibice prodlužovacího růstu a stimulace růstu radiálního

Jako první účinek etylenu byl popsán jeho vliv na klíční etiolované rostliny hrachu, tzv.

trojná odezva (triple response). V důsledku působení velmi nízkých koncentrací etylenu je

inhibován prodlužovací růst, stimulován růst radiální a dochází ke ztrátě gravitropické

reakce. Redistribuce růstu ze směru podélného do příčného je spojena se změnou roviny

buněčného dělení, reorientací mikrotubulů a celulózových mikrofibril podélně ke směru

růstu. Rovněž růst kořenů je etylenem silně inhibován. U vodních rostlin, jejichž listy volně

plovou na hladině, má etylen na prodlužovací růst stonku a řapíku vliv opačný: růst výrazně

stimuluje. Tento jev je možné považovat za významnou adaptaci: při ponoření listů se

hromadí etylen, který způsobí rychlý návrat listu na hladinu a znovuobnovení fotosyntézy.

Urychlení zrání plodů

Nejvýraznějším účinkem etylenu je stimulace dozrávání některých plodů. Při zrání se

mnohonásobně zvýší tvorba etylenu, který pak indukuje biochemické procesy zrání, např.

degradaci celulózy, pektinů a škrobu. Podobně jako zrání stimuluje etylen stárnutí a opad

listů, květů a plodů. I v těchto procesech stimuluje etylen tvorbu enzymů, v tomto případě

enzymů štěpících buněčné stěny.

Apikální dominance

Úloha etylenu v apikální dominanci nebyla donedávna úplně vyjasněna. V některých

případech aplikace etylenu nahradila u dekapitovaných rostlin účinek IAA na udržení apikální

dominance. U jiných rostlin, zejména jednoděložných, tyto účinky etylen nemá. Na základě

dalších výzkumů transgenních rostlin nesoucích geny pro syntézu auxinu, ale zároveň také

gen pro bakteriální ACC-deaminázu, enzym, který rychle odbourává ACC (látka, jejíž oxidací

vzniká při biosyntéze etylen), a znemožní tak zvýšení tvorby etylenu vlivem zvýšené hladiny

auxinu. Analýza těchto rostlin ukázala, že etylen se regulace apikální dominance neúčastní.

Tvorba etylenu ve stresových podmínkách

Zvýšení tvorby etylenu je jednou z prvních reakcí rostlin na působení stresorů. Je reakcí téměř

univerzální; zvýšenou tvorbu etylenu vyvolává dostatek i nadbytek vody, anaerobióza,

teplotní výkyvy, zasolení, poranění, napadení patogeny i toxické látky. Tvorba etylenu stoupá

již během 20-60 minut po začátku působení stresoru a přetrvává různě dlouho. Fyziologický

význam tvorby etylenu ve stresových podmínkách není dosud objasněn. Pod vlivem zvýšené

tvorby etylenu stoupá tvorba některých fytoalexinů (obranných látek rostlin), zvyšuje se

aktivita některých enzymů účastnících se obranných reakcí rostlin a vzrůstá odolnost

některých pletiv k působení rozkladných enzymů. Přesto však zatím nelze vyloučit možnost,

že tvorba etylenu je v některých případech pouhým původním jevem odezvy rostlin na

působení stresových podmínek.

Dalších účinků etylenu můžeme ještě zmínit jeho možnou účast v regulaci

gravitropizmu, při klíčení semen některých dvouděložných rostlin.

1.7.3 Možnosti využití etylenu a látek jej uvolňujících v rostlinné výrobě

Etylen je plyn se svými vlastnostmi jistě nevhodný k praktickému využití, s výjimkou

dozrávání ovoce v kontrolované atmosféře. Antagonistů etylenu, iontů stříbra, se často

využívá při skladování řezaných květů a v mnoha regeneračních systémech in vitro ke zvýšení

regenerace.

Nejvyššího využití v praxi dosáhl regulátor, ze kterého je etylen uvolňován

v rostlinných pletivech, kyselina 2-chloretylfosfonová, známá pod komerčními názvy Ethrel

(ethephon), Flordimex, Camposan. Je to dosud jediný regulátor rozkládající se v pletivech

na přirozené složky (etylen, chloridy, fosforečnany). Využívá se zejména v obilnářství jako

retardant.

1.8 Ostatní růstové regulátory

Mimo pět popsaných skupin fytohormonů obsahují rostliny další skupiny látek s růstově

regulačním působením. Tyto látky zatím mezi fytohormony řazeny nejsou – i když některé

jsou tomu velmi blízko – z různých důvodů: vyskytují se v koncentracích vyšších než

hormonálních, univerzalita jejich výskytu není dostatečně prokázána apod. K těmto látkám

patří brassinosteroidy, kyselina jasmonová, polyamidy, oligosachariny a některé typy

fenolických látek. Pro tyto skupiny látek je k dispozici podstatně méně údajů než pro

fytohormony.

Požitá literatura:

Stanislav Procházka, Ivana Macháčková, Jan Krekule, Jiří Šebánek a kolektiv

(1998) Fyziologie rostlin, vydala Academia