Два хормона, један систем раста
Свака биљка - од саднице која гура кроз тло до зрелог дрвета пуног плода - је изграђена и обликована малим скупом хемијских преносилаца који се називају биљни хормони или фитохормони. Међу њима, два се истичу као основни регулатори раста и облика: ауксини и цитокинини. Ни једно ни друго не ради сам. Они се производе у различитим деловима биљке, крећу се у различитим правцима и често вуку у супротним смеровима -, али управо та напетост и сарадња између њих одлучују да ли се ћелија дели, издужује, постаје корен, постаје изданак или остаје недиференцирана. За пољопривреднике, узгајиваче и свакога ко ради са размножавањем биљака, разумевање интеракције ауксина и цитокинина није само уџбеник ботанике -, већ је основа за укорјењивање резница, умножавање биљака у култури ткива, обликовање крошњи дрвећа, постављање плодова и на крају добијање већег приноса од сваке биљке. Овај чланак објашњава шта сваки хормон ради, како раде заједно (и једни против других) и како се то партнерство практично користи у пољопривреди.
Шта Ауксини раде
Ауксини су били прва класа биљних хормона која је откривена, а њихово име потиче од грчке речи „аукеин“, што значи „расти“. Примарни ауксин који се појављује у природи је индол-3-сирћетна киселина (ИАА), произведена углавном у меристему на врху изданака - растућем врху стабљике - иу младим листовима и семену у развоју. Одатле, ауксин се креће наниже кроз биљку у контролисаном, усмереном процесу који се назива поларни транспорт, а овај ток наниже је оно што даје ауксину већи део његовог утицаја на облик биљке. Основна функција ауксина је издуживање ћелије: он лабави ћелијски зид, омогућавајући ћелијама да се истегну и издуже, што је оно што покреће раст стабљике, савијање изданака према светлости (фототропизам) и раст корена надоле (гравитропизам). Осим елонгације, ауксин подстиче формирање бочних и адвентивних корена - корена који ниче из резнице или из стабљике постављене у влажну средину - и стимулише диференцијацију васкуларног ткива (ксилема и флоема) које повезује нови раст са остатком биљке.
Ауксин такође игра одлучујућу улогу у биљној архитектури путем апикалне доминације -, феномена где растући врх главног стабљика потискује раст бочних пупољака испод њега, одржавајући биљку високом и уском, а не жбунастом. То ради тако што тече наниже са врха и одржава услове који држе пазушне пупољке у стању мировања. У репродуктивном расту, ауксин произведен развојем семена подстиче повећање плода, а примена синтетичког ауксина на цвеће може изазвати плод без семена (партенокарпију) код усева као што су парадајз и грожђе. Ауксин такође одлаже формирање апсцисионог слоја који узрокује опадање листова, цветова и плодова, због чега се синтетички ауксини користе за спречавање прераног опадања плодова у воћњацима. Важно је напоменути да ауксин прати класични одговор на дозу-: ниске концентрације подстичу раст, али високе концентрације га инхибирају, а при веома високим дозама синтетички ауксини попут 2,4-Д постају селективни хербициди који убијају широколисне корове изазивајући неконтролисани, неорганизовани раст. Овај промотор двоструке природе - у малој дози, инхибитор у високој дози - је тема која се понавља у биологији ауксина и кључна је за разматрање за свакога ко примењује производе засноване на ауксину на терену.
Шта раде цитокинини
Ако је ауксин хормон елонгације и утицаја наниже, цитокинин је хормон поделе и утицаја навише. Цитокинини су откривени 1950-их када су истраживачи открили да једињење из остареле сперме харинге - касније названо кинетин - може да стимулише биљне ћелије да се деле у култури. Примарни природни цитокинини су зеатин, изопентениладенин (иП) и дихидрозеатин, и за разлику од ауксина, они се производе углавном у апикалним меристемама корена - растућим врховима корена -, а затим се крећу нагоре кроз ксилем до изданака и листова. Ово кретање навише од корена до изданка је централно за улогу цитокинина као сигнала здравља корена и статуса хранљивих материја за остатак биљке. Дефинишућа функција цитокинина је промоција деобе ћелија (цитокинеза), одакле потиче његово име. Док ауксин покреће елонгацију ћелије, цитокинин покреће стварно цепање једне ћелије на две, а обе су потребне за одрживи раст ткива - ни једно ни друго није довољно да се популација ћелија дели.
Осим деобе ћелија, цитокинин је примарни промотер формирања изданака и пупољака. У култури ткива, високи нивои цитокинина су оно што покреће недиференциране ћелије калуса да формирају изданке и листове, а у целим биљкама, цитокинин се супротставља апикалној доминацији стимулишући пазушне пупољке да прекину мировање и прерасту у бочне гране -, због чега биљке са здравим, активним кореновим системом (и самим тим се доста померају према горе) ка горе. Цитокинин такође одлаже старење листова - жутило и одумирање старијих листова - одржавањем нивоа хлорофила и протеина и мобилизацијом хранљивих материја из старијег ткива у млађе делове који расту. Овај ефекат-против старења се комерцијално искоришћава да би се продужио рок трајања лиснатог поврћа и резаног цвећа. Цитокинин подстиче развој и озелењавање хлоропласта, утиче на садржај хранљивих материја у зрну и воћу регулишући трансфер асимилата у семе које се развија, и игра улогу у прекиду мировања семена и подстицању клијања. У корену, цитокинин има сложенију и често инхибиторну улогу - може да потисне примарно издуживање корена и формирање бочног корена, што је део чина балансирања са ауксином који одређује однос корена-и-односа целе биљке.
Однос који одлучује о свему
Најважнији принцип у партнерству ауксина-цитокинина је да није најважнија апсолутна количина било ког хормона - већ њихов однос. Ово су 1950-их открили Фолке Скоог и Царлос Миллер на Универзитету у Висконсину, који су радили са ткивом стабљике дувана у култури и открили да променом релативних концентрација ауксина (ИАА) и цитокинина (кинетина) у медијуму за раст, они могу усмеравати ткиво да формира корење, изданке или недиференцирани клин. Када је однос ауксина и цитокинина био висок - више ауксина у односу на цитокинин - ткиво је формирало корење. Када је однос био обрнут - висок цитокинин у односу на ауксин -, ткиво је формирало изданке и листове. Када су то двоје били грубо избалансирани, ткиво је расло као неорганизована маса ћелија калуса. Ова Скоог-Миллерова хипотеза, како је постала позната, представља основу за све модерне културе биљног ткива и микропропагацију, и објашњава зашто свака лабораторија за културу ткива троши толико времена на тестирање различитих односа хормона за сваку биљну врсту: прави однос је оно што претвара мали комад листа или стабљике у потпуно нову биљку.
Принцип односа функционише не само у петријевој посуди, већ иу свакој живој биљци. Врх изданака производи ауксин и шаље га надоле; врхови корена производе цитокинин и шаљу га нагоре. Тамо где се ова два тока сусрећу - у стаблу, у камбијуму, у пазушним пупољцима - локални однос ауксина и цитокинина одлучује шта се дешава. У чвору непосредно испод врха изданка, ауксин који долази одозго је висок, а цитокинин који долази одоздо је релативно низак, тако да аксиларни пупољак остаје у стању мировања (апикална доминација). Даље низ стабљику, или након што се врх уклони, нивои ауксина опадају, однос се помера ка цитокинину, а бочни пупољци се ломе и расту. У камбијуму - танак слој ћелија за дељење који производи дрво и кору - ауксин из изданка промовише формирање ксилема (дрва), док цитокинин из корена промовише деобу ћелија у самом камбијуму, а равнотежа између њих контролише брзину задебљања стабљике. У корену, ауксин који долази из изданка промовише иницијацију бочног корена, док га цитокинин који долази из врха корена потискује, а равнотежа контролише колико ће коренов систем бити разгранат. Разумевање овог односа - и способност да га промените кроз резидбу, примену хормона или културне праксе - је оно што узгајивачима даје контролу над обликом биљке и продуктивношћу.
Апикална доминација: потезање конопа
Апикална доминација је најјаснији и пољопривредно најважнији пример опозиције ауксина и цитокинина. У типичној биљци, завршни пупољак на врху главног стабљика снажно расте, док бочни пупољци дуж стабљике испод њега остају у стању мировања или расту веома споро. Уклоните завршни пупољак - штипањем, обрезивањем или испашом -, а бочни пупољци изненада прекидају стање мировања и прерастају у бочне гране, чинећи биљку бујном. Деценијама се ово објашњавало једноставно као ефекат ауксина: завршни пупољак производи ауксин, који тече низ стабљику и на неки начин инхибира бочне пупољке. Сада знамо да је слика нијансиранија и укључује цитокинин као директну противтежу. Ауксин са врха не улази директно у бочне пупољке; уместо тога, одржава висок однос ауксина-према-цитокинина у стабљици и потискује синтезу и транспорт цитокинина у пупољке, држећи их у стању мировања. Цитокинин, који се производи у корену и креће се нагоре, је сигнал који ослобађа пупољке из стања мировања - када цитокинин достигне аксиларни пупољак, активира деобу ћелија и израстање пупољака, директно се супротстављајући инхибиторном ефекту ауксина.
Ово потезање конопца има огроман практични значај. У воћњацима, узгајивачи орезују централну вођу и одабране гране како би смањили проток ауксина и померили однос према цитокинину, стимулишући раст плодног дрвета и стварајући отворену крошњу која дозвољава светлости да допре до плода. Код украсних биљака и биљака за живе ограде, редовно шишање уклања врхове и подстиче густ, жбунаст раст. У повртарској производњи - парадајза, на пример - узгајивачи уклањају терминалну тачку раста (прелив) да би зауставили вертикални раст и преусмерили енергију у развој плода, док такође управљају бочним изданима (сисама) како би уравнотежили вегетативни и репродуктивни раст. У шумарству, апикална доминација је пожељна - производи висока, равна стабла са неколико грана - и шумскоузгојне праксе су осмишљене да то одрже. Супротно томе, код усева где су жбунасти и многи бочни изданци пожељни -, као што је чај, где се беру млади изданци, или одређене врсте биља - које смањују апикалну доминацију и повећавају гранање које покреће цитокинин{11}}, повећавају принос. Синтетички спрејеви са цитокинином (обично 6-бензиладенин или 6-БА) се понекад примењују на воћке и украсне биљке да би се подстакло бочно гранање и повећао број цветних пупољака, у суштини опонашајући ефекат резидбе променом локалног односа хормона. Разумевање да гранање није само питање „уклањања врха“ већ и померања равнотеже ауксина и цитокинина помаже узгајивачима да одмере време обрезивања и примене хормона за максимални ефекат.
Подела ћелија, формирање органа и равнотежа корена{0}}изданка
На ћелијском нивоу, ауксин и цитокинин су партнери у најосновнијем процесу раста биљака: деоби ћелија. Биљна ћелија не може да издржи поновљене деобе само на било ком хормону. Ауксин припрема ћелију за деобу промовишући репликацију ДНК и прелазак из фазе мировања Г1 у фазу синтезе ДНК-С ћелијског циклуса, док цитокинин промовише стварни корак деобе (митоза и цитокинеза) и прелазак са Г2 на митозу. Заједно, они покрећу ћелијски циклус напред; уклоните било једно и дељење се успорава или зауставља. Због тога подлоге за културу ткива увек садрже и ауксин и цитокинин - обично синтетички ауксин као што је НАА или ИБА и синтетички цитокинин као што је 6-БА или кинетин - и зашто однос између њих одређује да ли се ћелије које се деле организују у корење, изданке или остају као калус. Молекуларни механизам иза овога је сада добро схваћен: сигнални путеви ауксина и цитокинина међусобно се регулишу, при чему ауксин промовише експресију гена одговора на цитокинине у неким контекстима и потискује их у другим, а цитокинин заузврат регулише транспорт и биосинтезу ауксина. Ова унакрсна{13}}регулација ствара стабилне, самојачајуће зоне високог ауксина или високог цитокинина унутар биљке, а те зоне постају места на којима се формирају органи.
Исто партнерство регулише укупну равнотежу између раста корена и раста изданака - корена-однос-односа - који је критична детерминанта здравља биљака, отпорности на сушу и приноса. Ауксин, који се производи у избојку и креће се надоле, промовише иницијацију и издуживање корена, обезбеђујући да растући изданак буде усклађен са растућим кореновим системом који је способан да га снабдева водом и хранљивим материјама. Цитокинин, који се производи у корену и креће се навише, подстиче раст изданака и активност пупољака, сигнализирајући изданкама да је коренов систем здрав и добро{6}}нахрањен. Када су корени под стресом - због суше, недостатка хранљивих материја или збијања земљишта - производња цитокинина опада, мање цитокинина стиже до изданка, а изданак успорава свој раст, чувајући ресурсе за корење док се услови не побољшају. Насупрот томе, када су корени снажни и добро-снабдевени, висок проток цитокинина у изданак подстиче ширење листова, пуцање пупољака и снажан раст врхова. This root-to-shoot signaling is why root health is so often the limiting factor in crop productivity, and why practices that improve root growth - proper soil structure, balanced nutrition, mycorrhizal inoculation, and auxin-based root-promoting treatments - translate into better top growth and higher yield. Такође објашњава зашто биљке узгајане у контејнерима или збијеним земљиштима, где је раст корена ограничен, често показују закржљале изданке и нижу активност цитокинина упркос адекватном ђубрењу.
Старење листова, развој плодова и принос
Ауксин и цитокинин такође раде заједно -, а понекад и у конкуренцији - у каснијим фазама развоја биљака које директно одређују принос усева: старење листова, заметање плодова и пуњење зрна. Старење листова - програмирано жућење и одумирање старијих листова - је природан процес који рециклира хранљиве материје из старих листова у младе листове и семе у развоју, али прерано старење узроковано сушом, топлотом, недостатком хранљивих материја или болешћу може значајно да смањи принос скраћивањем фотосинтетског века крошње. Цитокинин је најмоћнији природни инхибитор старења: одржава садржај хлорофила, чува фотосинтетичку активност и успорава разградњу протеина и нуклеинских киселина у листовима. Због тога листови везани за активно растући коренов систем (и који добијају сталну залиху цитокинина који потиче из корена) дуже остају зелени, док одвојени листови или листови на биљкама под стресом брзо жуте. Ауксин такође у извесној мери одлаже старење, посебно одржавањем транспорта хранљивих материја у лист и одлагањем формирања апсцисионог слоја на бази листа. Код многих усева, разлика у приносу између добре и лоше године се своди на то да ли крошња остаје зелена и фотосинтетички активна током критичног периода -пуњења зрна или{11}} плодова{11}}, и праксе које одржавају снабдевање цитокинином - здравим коренима, адекватним листовима подстичу синтезу азота (који подстичу у неким случајевима апликације цитокинина - могу директно продужити радни век крошње и повећати принос.
У развоју плода и семена, ауксин и цитокинин играју секвенцијалне и комплементарне улоге. Након опрашивања, семе у развоју производи налет ауксина који покреће деобу ћелија и рано увећање плода -, због чега примена синтетичког ауксина на неопрашено цвеће може да произведе плод без семена код парадајза, краставца и грожђа. Цитокинин, такође произведен у семену у развоју, промовише фазу ћелијске деобе раста плода, одређујући коначан број ћелија у плоду, а самим тим и његову потенцијалну величину. Код многих плодова, фаза ћелијске деобе (покренута углавном цитокинином) се јавља у првих неколико недеља након опрашивања и поставља максималну величину коју плод може да достигне; наредна фаза ћелијске експанзије (покренута углавном ауксином и гиберелином) испуњава тај потенцијал. То значи да доступност цитокинина у раној фази развоја плода може бити ограничавајући фактор за коначну величину плода, а неки воћари примењују спрејеве са цитокинином (6-БА) током цветања и раног заметања плодова како би повећали број ћелија, унапредили величину плода, а код неких врста истањили вишак плодова. У житарицама, цитокинин који се транспортује из корена у зрна у развоју регулише број ћелија ендосперма и брзину пуњења зрна, а здравље корена током периода пуњења зрна- директно је повезано са коначном масом зрна. Практичан закључак је да хормонални догађаји у првих неколико недеља након цветања - подстакнути партнерством ауксина-цитокинина – често чине више за одређивање коначног приноса него било шта што се дешава касније, а заштита здравља корена и равнотеже хормона током тог периода је један од најефикаснијих начина да се максимизира продуктивност усева.
Практичне пољопривредне примене
Интеракција између ауксина и цитокинина није само лабораторијска занимљивост - она је основа за широк спектар стандардних пољопривредних и хортикултурних пракси, као и за многе производе регулатора раста биљака на тржишту. Најдиректнија примена је у размножавању биљака. Укорјењивање резница - било за украсно жбуње, подлоге воћака, шумске саднице или зељасте вишегодишње биљке - се ослања на ауксин. Резнице се потапају или прскају синтетичким ауксином, најчешће индол{9}}3-маслачном киселином (ИБА) или нафтален сирћетном киселином (НАА), која стимулише формирање адвентивног корена у основи резнице. Концентрација је критична: премало ауксина и корени се не формирају; превише и рез је оштећен или се формира корен, али је закржљао и деформисан. Када се формирају корени, они почињу да производе цитокинин, који се помера уз стабљику и стимулише пуцање пупољака и раст нових изданака - резница је поново постала саморегулишућа биљка-. У култури ткива и микропропагацији, односом ауксина-цитокинина се манипулише у свакој фази: медијум са високим{{15}цитокинином, низак-ауксином промовише умножавање изданака (стварајући много малих изданака из једног експланта); медијум са високим-ауксином, ниским-цитокинином промовише укорењавање тих изданака; а за изазивање калуса може се користити избалансирани медијум. Ова инсценирана манипулација је начин на који се милиони идентичних биљака - банана, јагода, орхидеја, кромпира и многих шумских врста - производе у лабораторијама сваке године.
У пољској и воћарској производњи, производи на бази ауксина- се користе за спречавање прераног опадања плода (НАА спрејеви у јабукама и цитрусима), за разређивање вишка плода (НАА или 6-БА у јабукама, где хемијско проређивање смањује прекомерно усевавање и повећава величину плода), за промовисање заметања плода и величине (комбинација ауксина и коштица у грапецидину и њеном селекцији). (2,4-Д и дикамба за сузбијање широколисних корова у житарицама и травњаку). Производи засновани на цитокинину- (обично 6-БА или кинетин) се користе за промовисање бочног гранања у расадницима и украсним биљкама, за повећање броја цветних пупољака на воћкама, за одлагање старења и продужење рока трајања лиснатог поврћа и резаног цвећа, и - у комбинацији са {15} подстицањем раста као општим стресом и ауксином. Тренд последњих година био је ка комбинованим производима који мешају ауксин, цитокинин и често гибереличну киселину или екстракте морских алги (који садрже природна једињења слична хормонима), дизајнираних да подрже уравнотежен раст, а не да потичу један процес. Кључ за успешно коришћење било ког од ових производа је разумевање да они мењају природни баланс ауксина и цитокинина и да оптимална стопа, време и циљно ткиво веома варирају у зависности од усева, сорте, фазе раста и услова животне средине. Стопа која промовише укорјењивање једне врсте може убити другу, а спреј цитокинина који повећава гранање у расаднику може узроковати претјерани вегетативни раст и смањити заметање плодова у воћњаку. Од суштинског је значаја тестирање мањег обима, пажња на стопе етикетирања и примена у тачној фази раста.
Користећи их мудро
Моћ ауксина и цитокинина долази са стварним ризицима, а најчешћа грешка узгајивача је да третирају ове хормоне као генеричке „појачиваче раста“ који се могу обилно применити за гарантоване резултате. Реалност је да су биљни хормони-зависни од концентрације,-специфични и дубоко интерактивни - мала промена у брзини или времену може да промени ефекат са корисних на штетне. Прекомерна-примена ауксина може да изазове увијање стабљике, епинастију листова (савијање надоле), малформацију корена, прекинуто цвеће, а у случају једињења типа 2,4-Д-, тешка хербицидна оштећења осетљивих усева. Прекомерна{12}}примена цитокинина може да изазове прекомерно и слабо гранање, одложено корење, смањен раст корена, хлорозу листова и померање ка вегетативном расту на штету цветова и плодова. Пошто се оба хормона крећу кроз биљку и ступају у интеракцију једни са другима и са гиберелинима, етиленом, абсцизинском киселином и стриголактонима, апликација која има за циљ да утиче на један процес може да прође кроз друге на неочекиване начине - спреј цитокинина намењен да одложи старење листова такође може да промени апикални утицај, промени архитектуру корена у времену и време.
Најсигурнији и најефикаснији приступ је радити са природним хормонским балансом биљке, а не против њега. Културне праксе - орезивање ради управљања апикалним доминацијом, правилно наводњавање и исхрана за одржавање здравља корена и снабдевање цитокинином, избегавање сабијања земљишта које ограничава раст корена и коришћење пракси-подстицања корена као што је инокулација микоризе и додавање органске материје - подржавају здраву равнотежу4} ауксина без спољашњег уноса{{3}. Када су потребни хормонски производи, користите их за специфичне, добро{6}}дефинисане сврхе у тачној фази: ауксин за укорењавање резница или спречавање опадања плодова назначеном брзином; цитокинин за промовисање умножавања изданака у култури ткива или за циљано гранање у расаднику; комбиновани производи само када су одговор усева и време добро схваћени. Увек прво тестирајте на малом броју биљака, посебно код нових усева или нових производа, и водите евиденцију о брзини, времену, временским условима и реакцији како би се будуће примене могле побољшати. И запамтите да хормони не замењују добре услове раста - они могу да откључају потенцијал здраве биљке, али не могу да спасу биљку која је под стресом због суше, недостатка хранљивих материја, болести или лошег земљишта. Највећи приноси и најбољи{11}}усјеви долазе из комбинације одличних културних пракси и разумне, информисане употребе регулатора раста биљака када додају јасну вредност.
Закључак
Ауксини и цитокинини су близанци творци раста биљака - који се производе у издану и тече наниже да би подстакли издуживање, корење и апикалну доминацију; други се производи у корену и тече нагоре да би покренуо деобу ћелија, пуцање пупољака и раст изданака. Њиховом интеракцијом мање управља апсолутна количина него однос, као што су Скоог и Милер открили пре више од седамдесет година: висок ауксин у односу на цитокинин ствара корење, висок цитокинин у односу на ауксин ствара изданке, а равнотежа ствара недиференцирани калус. Овај принцип односа функционише у сваком ткиву сваке биљке, одлучујући да ли пупољак остаје у стању мировања или расте, да ли се ћелија дели или издужује, да ли коренов систем или систем изданака имају приоритет и да ли листови остају зелени или почињу да старе. У пољопривреди, ово партнерство је основа за укорјењивање резница, размножавање биљака у култури ткива, орезивање и обликовање крошњи, постављање и одређивање величине плодова, одлагање старења и управљање приносом. Али то је такође и партнерство које захтева поштовање: ови хормони су моћни, осетљиви на концентрацију-и интерактивни, а њихова злоупотреба може да нанесе онолико штете колико и њихова разборита употреба. Узгајивач који разуме како ауксин и цитокинин функционишу заједно - који зна када треба орезати, када применити хормон за корење, када спреј цитокинином има смисла и када је најбоља интервенција једноставно побољшање здравља корена - држи један од најмоћнијих кључева за доследну,-квалитетну производњу усева.
