VLIV SUBSTITUOVANÝCH AROMATICKÝCH CYTOKININŮ NA VÝNOS OBILNIN

Substituted aromatic cytokinins and yield of the cereals

Hradecká D*., Staszková L.**

AF ČZU Praha, *Katedra rostlinné výroby, **Katedra chemie

Souhrn

V příspěvku předkládáme výsledky výzkumu možnosti využití aplikace aromatických cytokininů a jejich derivátů k regulaci tvorby výnosu obilnin. Aplikace neribosylovaných cytokininů je rentabilní. Cena ošetření 1 ha se pohybuje kolem 100-300 Kč. Přírodní látky, obsahující methoxyskupinu či hydroxyskupinu, jsou méně aktivní než synthetické cytokininy s adovaným fluorem či chlorem, avšak během růstu a vývinu se zapojí do přeměny látko vé a rozloží je. Zatím nebylo odzkoušeno, jak se chovají ony synthetické, zda příliš nezatíží životní prostředí.

Summary

In a colaboration with the University of Palacky and the Institute of Biotechnology Czech Academy of Science- Laboratorium of Plant Growth Regulators in Olomouc, which synthetised preparations, tested in our field experiments we compared aromatic derivates of cytokinines, wíth a different activity in yield formative processes.

Growth characteristics enhanced after the treatment in a different level:in a range5 - 30 % ength of the stem, length of the ear, number of the florets, spikes and grains in a ear, the yield of the grain. In a range 60 - 80 % assimilative area. are extremly high. Because of the synergic effect by: enlargement of flag leave area, effect of antisenescence, (that is e.g. retar dation yelowing of leaves by oldening and supporting good sanitary state without mildew,a. o. diseases, caused by mushrooms, and by a prolongation the time of the fotosynthetic function of the assimilative area in productive processes. Thiese characteristics were higher in treated stands, than in a control without cytokinins, where especially small non fertile tillers died quickly. In a range 5-15 % 1000 grain weight ( g).The activity of preparations differed by a position of the substituent in aromatic core. Average of the value of growth characteristics, especially in 1997 and 1998 years, demonstrate that optimal seems to be position “3” which is more constant in a respect of annual changes, on comparison to a positions “2” or “4”. Changes of increments by application, in the position “3” were higher in main yield forming parameters as TKW (1000 grain weight), average number of grains per ear, total DM cumulation per plant (= “biological yield). Cytokinins with substituents in position “2” seems to be more active in cold and wet years, when process of forming the florets in a ear is more intensive than in hot and dry years. Preparations with a substituent in a position “4” increased the length of stem and ear and biological DM yield, but not all of them. Preparations containing fluorine were extremly active, but that with hydroxy-group were inactive. Increments ofTKW, number of grain per ear, and economical yield (of grain t/ha) were significantive in prealable substituents.There were acomplished relation between chemical structure of substituent. In both years of experiment (and in some preliminary experiments 1994 - 1997 too), it seems that there is a scale activity of cytokinins after a chemical substituents added to main core. In a maximum results the activity decreased in a succession: Fluorine ( more active than) chlorine, (more active than) methoxy ( more active than) hydroxy. Methoxy and hydroxy derivates are native, electronegative nonpollar substituents with a molecule of fluorine and chlorine are synthetic. Synthetic one are more active than native one, but they could be tested wether they are not harmfull.

Derivates of aromatic cytokinines, tested in yield experiments were compared during three year period 1997 - 1999. Cytokinins, distinguish each other by the position, and by chemical character of the substituent, added to aromatic core. Half of them (with - OH, or CH3O- radical in side chain of the molecule ) are native, half (with Cl, or F) are synthetic one. All preparations seem to be perspective in yield formative processes of cereals, as is shown in cv.SANDRA. Some relations in chemical structure of the substituent and activity were observed, as a differences caused by a position of the substituent in aromatic core. Growth and yield enhanced after the treatment in a different level.

ÚVOD

Protože zemědělství vždy bylo, je, a bude závislé na počasí (ročníku, který nemůžeme ovlivnit ), dochází při růstu rostlin na poli každoročně k nezaviněným, leckdy i živelným škodám, k jejichž částečné nápravě se dřív užívaly morforegulátory. S ohledem na rezidua, která se po aplikaci hromadila v půdě i rostlinách, byla řada těchto látek zakázána. Nutnost zasahovat do výnosotvorného procesu, je aktuální stále, a proto je nezbytné ověřování biologicky aktivních neškodných látek “nové generace”. Ty, které se zkoušejí dnes, jsou účinné ve stopových množstvích. K nim náleží např. deriváty aromatických cytokininů, odvozené od přírodních látek nalézaných v rostlinách (Horgan 1983).

Během růstu dochází k vzájemným interakcím fytohormonů a metabolitů, a koncentrace endogenních cytokininů se mění, jak se změnami ontogeneze (KOF 1990) a embryogeneze (STRNAD a kol. 1990), tak se změnami stanovištních podmínek, (SERGEJEVA a kol. 1990). Po odkvětu, během tvorby a naplňování obilek, aktivita endogenních cytokininů klesá (Procházka a kol. 1985). A tehdy aplikace cytokininů postřikem může potlačit aktivitu přírodních inhibitorů růstu, (kyselinu abscisovou, a některé další inhibující metabolity ), a může odstranit jejich negativní vliv při kumulaci zásobních látek v obilkách. (BORKOVEC, PROCHÁZKA 1990). Vliv aplikace cytokininů na tvorbu výnosu obilnin byl sledován na ČZU v plynulé řadě let od roku 1983. Za tu dobu se neprojevily negativně. Byl prokázán jejich příznivý vliv na odnožování (Kamínek 1989 ) potenciální produktivitu klasu, počet založených kvítků, klásků a počet zrn v klase při sklizni, na pokryvnost listoví, na hromadění sušiny v rostlinách, na délky klasů, (HRADECKÁ 1991) a v závislosti na výživě i na příjem minerálních látek do zrna, i na obsah lepku a změny pádového čísla (hRADECKÁ, STASZKOVÁ 1996). Předpokládá se, že účinnost exogenních cytokininů aplikovaných postřikem, se liší podle substituentu na aromatickém jádru. U derivátů močoviny elektronegativní nepolární substituenty fluor, chlor, brom a jod působí mimořádně vysokou aktivitu (SHUDO, a kol. 1990). To bylo jedním z předmětů šetření v grantu ČZU č. 2060 /10/ 18679/ 0 v období 1997 - 1999 v pokusech s pšenicí jarní.

Metodika

Polní pokusy byly založeny na pozemku ČZU Praha - Suchdol, ve čtyřech opakováních (parcelky 10m2). Z nich byly odebírány rostliny (n = 3 x 10 rostlin pro jedno vegetační měření) a před sklizní, která se dělala ručně, sklizňová parcelka o velikosti 1m2 (n = 8 opakování) k přepočtu a stanovení výnosu. Předseťová příprava spočívala v podmítce, přípravě půdy k setí a válení. Předplodinou byla obilnina. Testovanou odrůdou byla pšenice SANDRA (provenience Stupice, výsevek400 zrn m2 ). Ve vegetační sezoně byla provedena následující ošetření:Hnojení :55 kg dusíku /=č.ž./ v ledku amono-vápenatém). Proti plevelům: Grodyl plus proti Avena fatua, a Topic 80.

Vývojové změny rostlin byly hodnoceny průběžně během sezony růstovou analýzou, (KVĚT, NEČAS, ONDOK 1971). Obsah chlorofylu byl stanoven z acetonového výluhu metodou podle ŠESTÁKA a ČATSKÉHO 1966), a paralelně i chlorofylometrem HYDRO MINOLTA s.r.o., posklizňové rozbory n = 30 rostlin od varianty ošetření byly dělány v souladu s konvencí stanic UKZúZ. Aktivita enzymu glutamátkinázy byla stanovena spektrofotometricky s využitím modifikované hydroxamátové metody (VAŚÁKOVÁ 1980).Cytokininy byly aplikovány postřikem ve fázi kvetení porostů. Roztok obsahoval 10-6 mol . l -1 účinné látky, dávka 1 litr na 10 m2 porostu a smáčedlo Citowett (0,05 v.v.). Testované látky poskytlo bezplatně pracoviště biotechnologií České akademie věd při Ústavu experimentální botaniky a Katedra botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci. V tříletém období bylo průběžně odzkoušeno 14 cytokininů, které se lišily:

· adovanými skupinami na benzylovém radikálu aminopurinu

· polohou adovaných skupin

· vazbou na sacharid ( zlepšuje příjem a pohyb membránou).

Byly hodnoceny deriváty přírodních substancí z rostlin (obsahující hydroxylovou a methoxy skupinu), a cytokininy syntetické halogenované, obsahující elektronegativní nepolární substituenty fluor, a chlor.

Výsledky a diskuse

Aktivita látek se liší především v závislosti na ročníku na vláhových a teplotních poměrech. Byl podpořen výnos zrna, kumulace sušiny, listová plocha, obsah chlorofylu a jeho rozložení v porostu, i metabolismus, jak je zřejmé z aktivity enzymu glutamátkinázy. Tento enzym katalyzuje první z řady syntéz prolinu z glutamátu, přeměnu glutamátu na g glutamylfosfát, a byl stanovován proto, že jeho hladina je v korelaci s antistresovými schopnostmi rostlin. Zvýšení aktivity glutamátkinázy v relaci s aplikovanými cytokininy poukazuje na posílení schopnosti ošetřených rostlin odolávat stresu a nepříznivým vlivům během růstu a vývoje. (Tab.1) Zatímco u dvouděložných rostlin dochází zpravidla po aplikaci cytokininu ke zkracování stonků, (GRIGA, STEJSKAL ,1990) u obilnin byl pokusech ČZU pozorován nárůst o 2,1 -17,1 %. Podobné změny byly shledány i v délkách klasů. Je to zřejmě tím, že pokusná léta nebyla extrémně suchá.

Pokryvost listoví narůstala o 10,2 - 57,6 %, což je dáno synergickými projevy anti senescence, podporou zdravotního stavu listů, nárůstem plochy horních dvou praporcových listů, nejlépe exponovaných světelnému požitku porostu. Podle literatury s množstvím dostupného osvětlení stoupá obsah endogenních cytokininů a vzrůstá jejich aktivita. (SOTTA, a kol. 1990). V polním pokusu na ČZU byla jejich aktivita výrazně posílena, jak dokládají uvedené změny produkčních a růstových charakteristik, i změny v biochemii přeměny látkové (tab.1 a 2) a , obsahy chlorofylu (obr.1 a obr.2)

Obsah chlorofylu se zvýšil ošetřením v průměru za celou vegetační sezonu o 15,9 - 47,7 %, a změnilo se i rozložení gradient v porostu (Obr.1). Více vzrůstal obsah chlorofylu v horních listech, méně ve spodních, kde se průkazně oddálil rozklad způsobený pozvolným stárnutím.

Hmotnost tisíce semen vzrůstala ošetřením v rozmezí od 4,3 do 9,3 %. Stavba zásob ních pletiv a jejich naplňování podléhá změnám s inkorporací a metabolismem endogenních cytokininů, jejichž hladina po odkvětu klesá. Nárůst HTS je v relaci s údaji HÁJKA a LUŠTINCE 1998)

Aktivita derivátů závisí na pozici substituentu vzhledem k aromatickému jádru. Obr.1 a tab.1) Ošetření působí změny velikosti listové plochy, délky a ozrnění klasů, hmotnosti tisíce zrn, změny kumulace sušiny, a tím hospodářského i biologického výnosu.

Zdá se, že nejaktivnější jsou cytokininy se substituentem v pozici “3”. Pozice “2” je málo aktivní a působí spíše dlouhodobě, pozice ”4” působí krátkodobě, ale hodnoty přírůstků za sezonu nebývají vyšší než u cytokininů se substituentem v poloze ”3”. Podle předběžných pokusů poloha “4” je vysoce aktivní u syntetických cytokininů se substituovanou molekulou fluoru (Obr.2) nativní substituent “-OH” v poloze “4” je neaktivní. Nativní cytokininy, obsahující hydroxylovou -OH nebo (methoxy ) CH3 O- skupinu jsou méně účinné než synthetické cytokininy s fluorem nebo chlorem v molekule (tab. 1, Obr. 2). Potvrdila se relace mezi aktivitou a elektronegativitou, (SHUDO, a kol. 1990), která klesá v pořadí substituentů:fluor, chlor. Methoxy skupina se ukázala jako aktivnější než hydroxy hlavně v roce 1998, který byl sušší a teplejší (úhrn srážek 93,06 % dlouhodobého průměru, teplotní průměr za vegetaci 12,5oC tj. 106,7 % dlouhodobého průměru). Hydroxy skupina zvyšovala víc aktivitu růstových i biochemických procesů v r. 1997 s nižšími srážkami (dosáhly 413 mm tj. 96,4 % normálu / teplotní průměr byl přibližně stejný jako v roce 1998 a dosáhl 12,0oC /).

Seminativní deriváty benzylaminopurinu obsahující hydroxy a methoxy skupinu (hydroxy- benzylaminopurin je běžný přírodní metabolit), jsou méně aktivní, než syntetické cytokininy halogenované, ale v průběhu růstu a vývinu jsou rostlinami zcela spotřebovány či rozloženy U syntetických se zatím neví o možné kumulaci reziduí, ať látky samé nebo o hromadění metabolitů halogenovaných nepolárních substituentů v rostlinách a prostředí. Adicí halogenu roste výnosotvorná účinnost u obilnin, ale tyto syntetické deriváty se v přírodě nenacházejí. Růstové ukazatele námi experimentálně sledované v relaci s ošetřením se měnily různě v závislosti na chemické stavbě molekul derivátů, jak je tabulkami a grafy doloženo.

Vliv nativních a syntetických cytokininů na distribuci chlorofylu v porostu jarní pšenice

SANDRA ( v % kontroly ) Obr.2.

Vliv aplikace aromatických cytokininů (%) - jarní pšenice SANDRA Tab. 1

Cytokininy vázané na cukr ribosu se liší účinností od cytokininů neribosylovaných, jak ukazují předběžné, zatím pouze jednoleté výsledky v tab. 2, obr.3. Jejich případné uplatnění v praxi, které bude třeba ještě dále prozkoumat, mají naději na uplatnění, jemuž je třeba dál věnovat pozornost. Jsou pohyblivější a snadněji pronikají biomembránami buněk. Mohou však narážet na ekonomické problémy, protože vazba na cukr významně prodražuje syntézu. Která z látek najde uplatnění po dokončení oficiálních ověřovacích pokusů, závisí na aktivitě látek samých, na rentabilitě: a finanční náročnosti syntézy.

Práce byla financována grantem ČZU č. 2060/10/18679/0. a výzk. záměrem MSM 412100002