|
|
Статьи Соросовского Образовательного журнала в текстовом формате
Рассмотрена новая группа биологически активных высокомолекулярных соединений - фитоактивные полимеры (полимерные производные регуляторов роста и развития растений). Приведены примеры синтеза этих полимеров. Показано влияние скорости гидролиза на биологическую активность фитоактивных полимеров и проанализированы возможности их применения.
ФИТОАКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРЫМ. И. ШТИЛЬМАН
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
ЧТО МОЖЕТ ДАТЬ ШИРОКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРОВ РОСТА И РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ
Регуляторы роста и развития растений (РРР) привлекли серьезное внимание с 20-30-х годов этого столетия, когда было выяснено строение некоторых выделенных из растений стимулирующих веществ и была показана принципиальная возможность их использования, так же как синтетических аналогов РРР и других синтетических веществ для изменения процесса роста растений при экзогенной (внешней) обработке [1-3].
В настоящее время известно большое количество РРР как природного происхождения, в том числе вырабатываемых в растениях, так и синтетических.
Регуляторы роста растений
Фитогормоны
ауксины
гиббереллины
цитокинины
прочие фитогормоны (этилен, абсцизовая кислота, брассиностероиды)
Другие природные соединения (предшественники фитогормонов, витамины, коферменты)
Синтетические аналоги фитогормонов и других природных соединений
Другие синтетические соединения
Среди природных регуляторов выделяют фитогормоны, образующиеся, как правило, в определенных органах или зонах растения и транспортирующиеся по его организму. Многие синтетические регуляторы были синтезированы как аналоги или предшественники фитогормонов (схема 1).
Последние десятилетия эти биологически активные вещества (БАВ) интенсивно исследовались, однако лишь некоторые технологические процессы с их использованием нашли широкое практическое применение. В качестве примеров можно отметить улучшение укоренения черенков при обработке ауксинами и использование продуцентов этилена для повышения устойчивости злаков к полеганию, дефолиации хлопчатника и дозревания плодов томатов и некоторых других культур.
В то же время во многих исследованиях были установлены значительно более широкие возможности использования РРР для улучшения хозяйственно полезных признаков у сельскохозяйственных и декоративных растений, в первую очередь для повышения с их помощью устойчивости растений к стрессовым воздействиям - действию повышенных и пониженных температур, дефициту влаги, засолению почвы и т.п. Понятно, что реализация таких технологий чрезвычайно важна для регионов с неблагоприятными условиями для возделывания сельскохозяйственных культур и развития важных биотехнологических производств. Почему же сельскохозяйственное производство не использует в достаточной мере всех возможностей, открывающихся при широком применении РРР? Это объясняется многими причинами.
Конечно, РРР - достаточно сложные и дорогие органические соединения, и организация их производства требует серьезной технологической проработки и высокой культуры производства. Однако химическая промышленность накопила большой опыт производства весьма сложных органических веществ, а кроме того, требуемые количества РРР относительно невелики. Но в значительно большей мере сложности и ограничения широкого применения РРР связаны с особенностями их свойств и проявления биологической активности. Так, большинство РРР проявляют стимулирующую активность в достаточно узком диапазоне концентраций, превышение которых приводит к ингибированию и даже гибели растений (фитотоксичность, гербицидный эффект). Поэтому при обработке растительного организма нельзя использовать запасные количества препарата, рассчитанные на длительное его действие, если даже оно и желательно. Многие РРР в природных условиях подвергаются вымыванию, улетучиванию, биологическому разрушению, что часто требует для достижения эффекта использования весьма завышенных доз. В некоторых случаях РРР в используемых дозах токсичны для человека и животных. Наконец, многие эффективные РРР плохо растворимы, что затрудняет их применение, например, в малых дозах, когда требуется распределение небольшого количества регулятора по большому числу биологических объектов.
ЗАЧЕМ НУЖНЫ ФИТОАКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРЫ
Как известно, для устранения подобных недостатков, присущих различным БАВ, в том числе лекарственным веществам, используют так называемые системы с контролируемым выделением активного вещества. Использование таких систем позволяет реализовать оптимально дозированное поступление БАВ в биологический объект, причем скорость дозирования может регулироваться изменением устройства или химического строения системы. В этом случае можно достичь скорости поступления БАВ именно в оптимальной для стимулирования концентрации, которая невелика и не достигает уровня фитотоксичности и токсичности для человека и теплокровных. Кроме того, включенный в систему, невыделившийся из нее регулятор не обладает активностью и защищен от побочного расходования. Открывающиеся при этом возможности нанесения на биологический объект запасных количеств регулятора, обеспечивающих его эффективное пролонгированное действие, не приводят к значительному возрастанию дозы. К системам с контролируемым выделением активного вещества относятся и полимерные производные РРР - фитоактивные полимеры.
КАК ПОСТРОЕНЫ ФИТОАКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРЫ
В принципе РРР могут быть использованы в различных формах, в которых постепенный выход БАВ из системы может реализоваться как за счет разрушения химической связи между полимерным носителем и остатком регулятора (собственно фитоактивные полимеры), так и за счет других факторов - диффузии (монолитные полимерные формы, мембранные системы), осмотических явлений (осмотические насосы).
Но только системы первого типа с химической иммобилизацией РРР на полимере (фитоактивные полимеры) позволяют получить водорастворимые препараты, пригодные для применения всеми известными методами, в том числе когда требуется равномерное распределение разбавленного раствора регулятора по растительным объектам.
Типичная макромолекула фитоактивного полимера состоит из цепи полимерного носителя и боковых остатков регулятора, связанных с основной цепью гидролитически лабильными группами. Полимер может содержать также группы, придающие всей системе растворимость в воде (лиофилизующие группы) (рис. 1).
В принципе регулятор может быть присоединен и с участием концевой группы полимерного носителя. Но в этом случае с полимером можно связать меньшее количество регулятора. Кроме того, при введении остатка РРР в виде боковой группы свойства фитоактивного полимера, в первую очередь скорость гидролитического выделения низкомолекулярного БАВ, могут легче регулироваться.
СИНТЕЗ ФИТОАКТИВНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Наиболее удобными методами синтеза фитоактивных полимеров являются взаимодействие РРР с соответствующими полимерными носителями и полимеризация или сополимеризация их ненасыщенных производных [4, 5]. Для проведения этих реакций использовали содержащиеся в РРР функциональные группы. Например, в случае ауксинов, гиббереллинов это была карбоксильная группа, цитокининов - NH-группа имидазольного кольца, у 1-амино-1-циклопропанкарбоновой кислоты - наиболее реакционноспособная первичная аминогруппа (схема 1). Соответственно при получении фитоактивных полимеров могут быть использованы полимерные носители, содержащие функциональные группы, способные взаимодействовать с реакционноспособными группами РРР в достаточно мягких условиях, не влияющих на строение регулятора.
Ниже приведены примеры получения фитоактивных полимеров. В этих случаях при выборе метода синтеза предпочтение отдавали процессам, не требующим дополнительного активирования вводимого в реакцию регулятора.
Так, для карбоксилсодержащих РРР полимерные производные (в данном случае сложные эфиры) были получены взаимодействием солей этих карбоновых кислот с полимерными носителями, в которые входят звенья, содержащие активированные галоидалкильные группы, и реакцией этих БАВ в непосредственно карбоксилсодержащей форме с эпоксидсодержащими полимерами. С использованием этих методов были синтезированы полимерные эфиры большого ряда регуляторов с ауксиновой и гиббереллиновой активностью (схема 2).
Для регуляторов, содержащих ацилируемые группы (аминную, гидроксильную), в качестве носителей могут быть использованы полимеры с ацилирующими группами: ангидридной, изоцианатной, изотиоцианатной, активированной сложной эфирной и т.п.
Так были синтезированы полимеры 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислоты (схема 3) и РРР с цитокининовой активностью (схема 4).
Для придания фитоактивным полимерам растворимости в воде в качестве боковых лиофилизующих групп в них вводили гидроксильную, амидную, пирролидонную, карбоксильную и карбоксилатную. К настоящему времени разработаны методы синтеза полимерных производных практически всех известных групп РРР, что отражено в большом числе публикаций и патентов [4, 5].
ВЗАИМОСВЯЗЬ СТРОЕНИЯ,
СПОСОБНОСТИ К ГИДРОЛИЗУ
И БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ
Биологическая активность фитоактивных полимеров зависит от скорости гидролиза функциональной группы, связывающей регулятор и полимерный носитель. Если эта связь распадается медленно, выделившегося количества регулятора недостаточно для реализации стимулирующего действия. В этом случае полимер не обладает активностью даже при значительном увеличении дозы.
Когда гидролиз фитоактивного полимера протекает слишком быстро, его активность практически не отличается от активности включенного в него низкомолекулярного регулятора и стимулирование проявляется в узкой области концентраций, превышение которой приводит к снижению стимулирующего эффекта с возможным появлением ингибирования. Наконец, при неких промежуточных, оптимальных для данного биологического объекта значениях скоростей гидролиза, фитоактивный полимер оказывает стимулирующее действие в очень широкой области концентраций при полном отсутствии тенденции к ингибированию.
В качестве примера эти ситуации показаны в стандартном биотесте на ауксины для полимерных производных хорошо изученного регулятора и гербицида 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты, относящейся к группе ауксинов. Биотест основан на стимуляции удлинения отрезков колеоптилей (специальных трубкообразных органов проростков, в которых заключены листовые зачатки) пшеницы (рис. 2).
Такие особенности действия фитоактивных полимеров предопределяют возможность создания препаратов, выделяющих оптимальные в данный момент количества БАВ в течение требуемого времени, что значительно повышает его эффективность. Более того, установив характер взаимосвязи между химическим строением фитоактивных полимеров, склонностью их к гидролизу и биологической активностью, можно не только прогнозировать уровень активности, но и целенаправлено конструировать препараты с оптимальной для данного биологического объекта способностью к гидролизу [6-8]. При этом можно использовать уже известные к настоящему времени данные по влиянию различных особенностей химического строения фитоактивных полимеров на их способность к гидролитическому выделению низкомолекулярного регулятора. В частности, показано, что скорость гидролиза увеличивается с уменьшением количества введенных в полимер боковых гидрофобизующих групп и уменьшается с увеличением молекулярной массы полимерного носителя. Существенное влияние на скорость гидролиза оказывают конформация полимера в растворе, тип боковой лиофилизующей группы, строение радикала регулятора.
ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ФИТОАКТИВНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Фитоактивные полимеры могут являться основой новых препаратов для растениеводства, обладающих уникальным комплексом свойств. Перевод в полимерную форму позволяет придать РРР растворимость в воде, расширить область стимулирующих доз и концентраций, что позволяет снизить возможность ингибирования или даже гербицидного действия при передозировке. Важным преимуществом этих соединений является их макромолекулярная природа, обеспечивающая хорошую адсорбцию при нанесении на биологический объект и высокую адгезию. Поэтому в препараты на основе полимеров не требуется вводить специальные прилипатели.
Фактически фитоактивные полимеры сами являются готовыми препаратами, пригодными для использования практически всеми известными методами: опрыскиванием проростков и растений, замачиванием черенков перед укоренением и прививкой, замачиванием семян, введением в дражировальные оболочки, введением в культивационные среды в биотехнологических процессах, использующих культуры растительных клеток. При этом расходы препаратов очень малы.
С использованием полимерных производных хорошо известных регуляторов высокая эффективность достигается при обработке семян и черенков при дозах несколько граммов на 1 гектар, а при нанесении препаратов опрыскиванием растений - нескольких десятков граммов на гектар. В частности, интересным представляется нанесение фитоактивных полимеров на семена. Можно сказать, что в этом случае создается семенной фонд с новыми качествами - задача, близкая решаемой многолетней работой селекционеров.
Проведенные во многих научных коллективах испытания показали, что фитоактивные полимеры могут явиться основой высокоэффективных антистрессовых препаратов, препаратов, улучшающих плодоношение, повышающих устойчивость растений к заболеваниям и улучшающих укоренение и прививку черенков. Сейчас изучение этих новых препаратов для растениеводства интенсивно продолжается во многих странах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кулаева О.Н. Как регулируется жизнь растений // Соросовский Образовательный Журнал. 1995. ╧ 1. С. 20-27.
2. Кефели В.И., Прусакова Л.Д. Химические регуляторы растений. М., 1985.
3. Муромцев Г.С., Чкаников Д.И., Кулаева О.Н., Гамбург К.З. Основы химической регуляции роста и продуктивности растений. М.: ВО "Агропромиздат", 1987.
4. Shtilman M.I. Immobilization on Polymers. Utrecht; Tokyo: VSP, 1993.
5. Штильман М.И. // Высокомолекуляр. соединения. Сер. Б. 1995. Т. 37, ╧ 5. С. 902-910.
6. Штильман М.И., Тсатсакис А.М., Хачанян А.А. и др. // Там же. Сер. А. 1996. Т. 38, ╧ 6. С. 1076-1079.
7. Штильман М.И., Тсатсакис А.М., Влахос И. и др. // Там же. Сер. А. 1997. Т. 39, ╧ 11. С. 1761-1766.
8. Штильман М.И., Тсатсакис А.М., Влахос И. и др. // Физиология растений. 1997. Т. 44, ╧ 6. С. 861-864.
* * *
Михаил Исаакович Штильман, доктор химических наук, профессор кафедры химической технологии пластмасс Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева. Область научных интересов - синтез биологически активных полимеров, водорастворимых и нерастворимых полимерных носителей для биологически активных веществ, биодеградируемых полимеров. Автор около 350 научных работ, в том числе трех монографий на русском и английском языках.
