Среди минеральных компонентов питательных сред выделяют 7 основных химических элементов, которые растения получают из культуральных сред: они необходимы для любого растительного организма и входят в состав всех прописей и комплексных удобрений: азот, кальций, калий, фосфор, магний, сера, кремний. Углерод, водород и кислород растения получают из водной фазы культуральной среды и из воздуха.
К группе микроэлементов относят незаменимые химические элементы, которые необходимы растениям в количествах 0,01 % и менее (в расчете на сухую массу). Роль большинства микроэлементов определена участием в активных центрах ферментов, поэтому их дефицит может негативно сказываться уже на самых ранних этапах онтогенеза.
Макроэлементы как компоненты питательных сред
Азот – один из важнейших элементов, необходимых для нормального роста и развития растений. В культуральных средах основными источниками азота являются аммонийные (NH4+) и нитратные (NО3–) формы, хотя известно, что некоторые культуры могут использовать и азот, содержащийся в аминокислотах. Азот входит в состав аминокислот (белков), нуклеиновых кислот, пигментов (хлорофиллы), алкалоидов, гормонов и других органических соединений. Дефицит азота характеризуется хлоротичностью, угнетением роста и замедлением общих темпов развития растения в целом. Известно, что в септических условиях небольшой избыток азота хотя и поддерживает интенсивный рост, но подавляет развитие генеративных органов (Мусиенко и др., 1989). Большое значение для роста сеянцев имеет форма солей азота: аммиачные и нитратные формы азота.
Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, белков, фосфолипидов, фосфорных эфиров сахаров, нуклеотидов, фитина и других соединений. В растительных тканях он содержится в органической форме в виде ортофосфорной кислоты и ее солей. Трехзамещенные фосфорные соли плохо растворимы в воде и мало доступны для растений, тогда как двухзамещенные, еще больше однозамещенные кальциевые и магниевые соли ортофосфорной кислоты или фосфорные соли калия, натрия и аммония хорошо растворимы в воде и поглощаются корневой системой растений. Поэтому фосфор обычно добавляют к питательным средам в виде фосфата калия (КН2Р04) или фосфата натрия (NaH2P04). Основное соединение, в виде которого запасается фосфор в растительных тканях, – фитиновая (мио-инозитгексафосфорная) кислота. На ранних этапах развития, особенно в асептических условиях, сеянцы и растения-регенеранты наиболее чувствительны к недостатку фосфора. Особенно богаты фосфором быстрорастущие ткани, в клетках которых интенсифицированы метаболические процессы (меристемы). Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот и в виде универсальных химических соединений принимает непосредственное участие во внутриклеточных энергетических превращениях как у растений, так и у животных. Уникальная функция фосфора – его участие в фосфорилировании белков с помощью протеинкиназ. Визуальными признаками недостатка фосфора могут служить пурпурный оттенок вегетативных органов и замедленный рост.
Калий – главный потенциалобразующий ион в процессах электрогенеза растительной клетки. Концентрация калия внутри клетки на несколько порядков превышает таковую в окружающей среде, поэтому в частях растений, которые непосредственно соприкасаются с питательным раствором, функционирует мощнейшая система ионных насосов, поддерживающая градиент концентрации на должном уровне. В растении калий находится в основном в ионной форме, имеет очень высокую подвижность и хорошо реутилизируется. На сегодня известно более 60 ферментов, для нормальной работы которых нужны ионы калия. Важную роль играет калий в процессах поглощения и транспорта воды по растению, поскольку влияет на водный потенциал растительных клеток. Механизм работы нижнего водяного насоса на 3/4 обусловлен наличием в сосудах ксилемы ионов калия (Медведев, 2004; Mycиeнко, 2005). Калий в питательные среды иногда вносят в виде хлорида (КС1), однако чаще в виде нитрата калия (KNО3) или фосфата калия (КН2Р04). Недостаток данного элемента слабо проявляется визуально. Как правило, это пятнистость или изменение морфологии листа (скручивание, изорванный край). Калий необходим для поддержания на оптимальном уровне процессов роста и развития, прямо или опосредованно участвуя в биосинтезе основных классов органических соединений. Дефицит калия тормозит процессы деления и растяжения клеток, что приводит к образованию розеточных форм растений, угнетает проявление доминирующего эффекта апикальной почки, а также снижает интенсивность фотосинтетических процессов, прежде всего вследствие уменьшения скорости оттока ассимилятов (Медведев, 2004).
Кальций играет важную роль в клеточном метаболизме – связывает побочные токсичные продукты белкового обмена (образуя со щавелевой кислотой оксалат кальция). В клетке в основном используется как строительный материал. В форме пектата кальция включается в клеточные стенки и в такой форме способствует проницаемости последних и транспорту углеводов и аминокислот по растению. Кальций имеет важное значение в процессах клеточной сигнализации как вторичный посредник. Очень чувствителен к флуктуациям концентраций цитозольного кальция цитоскелет. Кальцийзависимое функционирование цитоскелета имеет место в таких процессах, как внутриклеточное движение цитоплазмы (циклоз), клеточное деление, рост клеток растяжением. Кальций вводится в состав среды в виде хлорида кальция (СаС12), нитрата кальция (Ca(N03)2) или сложного фосфата кальция (Са10(РО4)6(ОН)2). Манипулируя с концентрациями кальция, нужно четко представлять биоэкологические особенности растительного объекта, так как известно, что растения принято условно делить на три группы по отношению к солям кальция: кальциефилы, кальциефобы и нейтральные виды. Эти особенности биологии необходимо учитывать при составлении питательных сред. Кроме того, как правило, двудольные растения содержат в своих тканях значительно больше этого элемента, чем однодольные. Кальций не реутилизируется, а накапливается в старых тканях растений. Визуальным признаком недостатка кальция в асептической культуре могут быть отмершие кончики корней и верхушки побегов. При кальциевом дефиците резко возрастает текучесть мембран, как следствие – нарушаются процессы мембранного транспорта и биоэлектрогенеза, тормозится деление и растяжение клеток, изменяются процессы корнеобразования. Может происходить также деформация формы листовых пластинок; их кончики вначале белеют, а затем отмирают.
Сера вводится в состав сред в виде сульфатов различных элементов и может поглощаться растениями только в окисленной форме в виде иона S042–. В растениях сера может находиться как в окисленной, так и в восстановленной формах. В основном этот элемент транспортируется в надземные, зеленые части растений. Сера не реутилизируется, поэтому может в значительных количествах накапливаться в стареющих частях растений. Сульфгидрильные группы входят в состав аминокислот (цистеин, метионин), витаминов (липоевая кислота, биотин, тиамин), липидов, кофермента А. Одна из важнейших функций серы – формирование третичной структуры белков путем образования ковалентных связей дисульфидных мостиков между остатками цистеина. Внешними симптомами серного дефицита могут служить вновь образуемые бледные побеги. При ее отсутствии тормозятся процессы роста и развития, фотосинтеза, синтеза белков и др. Сера поддерживает нормальное развитие корневой системы.
Магний добавляют к средам в виде сульфата (MgS04 • 7Н20). Именно этот химический элемент придает зеленую окраску молекулам хлорофилла, следовательно – и фотосинтезирующим частям растений в целом. В семенах большая часть магния находится в виде фитина. Участие магния в процессе обмена веществ связано с его способностью регулировать работу ряда ферментов: он является кофактором почти всех ферментов, катализирующих перенос фосфатных групп, необходим для работы многих ферментов гликолиза, цикла Кребса, а также спиртового и молочнокислого брожения. При повышении концентрации магния в растительных клетках активируются ферменты, участвующие в метаболизме фосфата, что приводит к повышению содержания в тканях органических и неорганических форм фосфорных соединений (Медведев, 2004). Недостаток этого элемента может вызывать хлороз листьев. Магниевое голодание в первую очередь сказывается на фосфорном обмене, следовательно, и на общей энергетике растения, структуре пластид, вызывает серьезные нарушения в биосинтезе белка.
Кремний в растительных организмах используется в основном как строительный материал для клеточных стенок, обеспечивая их прочность и эластичность. И хотя он практически никогда не вводится специально в состав питательных сред, отсутствие кремния в питательной среде может повлечь серьезные нарушения в структуре клеточных органелл.
Читайте также: Минеральные компоненты питательных сред. Микроэлементы
Источник: Биотехнология тропических и субтропических растений in vitro