จิบเบอเรลลิน

จิบเบอเรลลิน (Gibberellins)

          การค้นพบกลุ่มของฮอร์โมนพืชที่ปัจจุบันเรียกว่าจิบเบอเรลลินนั้น เกิดประมาณ  ปี 1920  เมื่อ Kurosawa  นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่น ศึกษาในต้นข้าวที่เป็นโรค Bakanae หรือโรคข้าวตัวผู้  ซึ่งเกิดจากเชื้อรา 

Gibberella fujikuroi  หรือ  Fusarium moniliforme  ซึ่งทำให้ต้นข้าวมีลักษณะสูงกว่าต้นข้าวปกติ ทำให้ล้มง่าย  จากการศึกษาพบว่า ถ้าเลี้ยงเชื้อราในอาหารเลี้ยงเชื้อเหลวแล้วกรองเอาเชื้อราออกไปเหลือแต่อาหารเลี้ยงเชื้อ เมื่อนำไปราดต้นข้าวจะทำให้ต้นข้าวเป็นโรคได้ จึงเป็นที่แน่ชัดว่า เชื้อราชนิดนี้สามารถสร้างสารบางชนิดขึ้นในต้นพืชหรือในอาหารเลี้ยงเชื้อ ซึ่งกระตุ้นให้ต้นข้าวเกิดการสูงผิดปกติได้  ในปี 1939 ได้มีผู้ตั้งชื่อสารนี้ว่าจิบเบอเรลลิน การค้นพบจิบเบอเรลลิน เกิดขึ้นในช่วงเดียวกับที่พบออกซิน การศึกษาส่วนใหญ่จึงเน้นไปทางออกซิน  ส่วนการศึกษาจิบเบอเรลลินในช่วงแรกจะเป็นไปในแง่ของโรคพืชในการศึกษาขั้นแรกค่อนข้างยากเพราะมักจะมีกรดฟิวซาลิด (Fusaric Acid) ปะปนอยู่ซึ่งเป็นสารระงับการเจริญเติบโต ความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างและส่วนประกอบทางเคมีของจิบเบอเรลลินนั้นได้รับการศึกษาในปี 1954  โดยนักเคมีชาวอังกฤษซึ่งสามารถแยกสารบริสุทธิ์จากอาหารเลี้ยงเชื้อรา Gibberella fujikuroi และเรียกสารนี้ว่ากรดจิบเบอเรลลิค (Gibberellic Acid)

การให้กรดจิบเบอเรลลิคกับพืชที่สมบูรณ์ทั้งต้น จะเร่งให้เกิดการยืดตัวเพิ่มขึ้นของลำต้นและใบอย่างผิดปกติ  การตอบสนองจะปรากฏเด่นชัดเมื่อให้กรดนี้กับพืชที่เตี้ยแคระโดยพันธุกรรม เพราะจะกระตุ้นให้พืชเหล่านี้เจริญสูงตามปกติ  กรดจิบเบอเรลลิคที่พบในอาหารเลี้ยงเชื้อรานั้นมีโครงสร้างทางเคมี และกิจกรรมทางชีววิทยาเหมือนกับกรดจิบเบอเรลลิคในพืชปกติทุก ๆ ชนิด (พืชปกติหมายถึงพืชที่ไม่เป็นโรค) มีสารประกอบประเภทนี้จำนวนมากที่แยกเป็นสารบริสุทธิ์ได้จากพืชชั้นสูง ในปัจจุบันมีจิบเบอเรลลินซึ่งเป็นชื่อเรียกทั่ว ๆ  ไปของสารประกอบประเภทนี้ ประมาณไม่น้อยกว่า 80 ชนิด  ชื่อเรียกสารประกอบชนิดนี้จะตั้งชื่อดังนี้ คือ Gibberellins A₁ (GA₁),  A₂,  A₃ เป็นต้น  โดยที่กรดจิบเบอเรลลิค คือ GA₃

ที่มา : http://www.student.chula.ac.th/~56370053/doc/3.gif

 GA ทุกชนิดจะมีโครงสร้างพื้นฐานของโมเลกุลเป็น Gibberellane Carbon Skeleton  ซึ่งจะเหมือนกับกรดจิบเบอเรลลิค จะแตกต่างกันตรงจำนวนและตำแหน่งของกลุ่มที่เข้าแทนที่ในวงแหวนและระดับของความอิ่มตัวของวงแหวน A     GA ประกอบด้วยคาร์บอนประมาณ     19-20 อะตอม        ซึ่งจะรวมกันเป็นวงแหวน 4 หรือ 5  วงและจะต้องมีกลุ่มคาร์บอกซิลอย่างน้อย 1 กลุ่ม โดยใช้ชื่อย่อว่า GA      ซึ่ง GA₃  เป็นชนิดที่พบมากและได้รับความสนใจศึกษามากกว่าชนิดอื่นๆ       GA เป็นฮอร์โมนที่พบในพืชชั้นสูงทุกชนิด นอกจากนั้นยังพบในเฟิร์น สาหร่าย และเชื้อราบางชนิด แต่ไม่พบในแบคทีเรีย

การสังเคราะห์จิบเบอเรลลิน

ที่มา : https://medscisin.files.wordpress.com/2014/02/e0b8a3e0b8b9e0b89be0b8a0e0b8b2e0b89e4.jpg

                        จิบเบอเรลลินเป็นฮอร์โมนพืชซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมีเป็นไดเทอพีนส์ (diterpenes) ซึ่งเป็นสารประกอบที่เกิดตามธรรมชาติในพืช  ในกลุ่มของเทอพีนอยส์ (Terpenoids) การสังเคราะห์ GA จึงเกิดมาจากวิถีการสังเคราะห์สารเทอพีนอยส์   โดยที่มีบางส่วนยังไม่เข้าใจเด่นชัดนัก 

การสังเคราะห์ GA สารเริ่มต้นเป็นกรดเมวาโลนิค (Mevalonic Acid) เปลี่ยนไปตามวิถีจนเกิดเป็นกรดคอรีโนอิค (Kaurenoic  Acid) แล้วจึงเปลี่ยนไปเป็น GA ซึ่งวิถีในช่วงที่เปลี่ยนไปเป็น GA ชนิดต่าง ๆ  นี้ยังไม่ทราบแน่ชัดนัก สารชนิดแรกที่มีวงแหวนของ Gibberellane คือ อัลดีไฮด์ของ GA₁₂

ในปัจจุบันมีสารชะงักการเจริญเติบโต เช่น  CCC  หรือ  Cycocel   AM0-1618 Phosfon-D และ SADH หรือ Alar  ซึ่งใช้กันมากในการเกษตร สารเหล่านี้บางชนิดสามารถระงับ กระบวนการสังเคราะห์จิบเบอเรลลินได้ เช่น AMO-1618 สามารถระงับการสังเคราะห์จิบเบอเรลลินในอาหารสำรอง (Endosperm) ของแตงกวาป่า  โดยระงับในช่วงการเปลี่ยน  Geranylgeranyl pyrophosphate ไปเป็น  Kaurene  ในทำนองเดียวกัน CCC สามารถระงับกระบวนการนี้ได้ด้วย

จากการศึกษาโดยวิธี Diffusion Technique แสดงให้เห็นว่าใบอ่อน  ผลอ่อนและต้นอ่อนเป็นส่วนที่สร้าง  GA ของพืช รากพืชอาจจะสามารถสร้าง GA  ได้บ้าง   แต่ GA    มีผลต่อการเจริญของรากน้อยมาก   และอาจจะระงับการสร้างรากแขนงพวก Adventitious  Root ด้วย ในปัจจุบันยังไม่มีการสังเคราะห์ GA เนื่องจากกระบวนการสร้างซับซ้อนและต้องใช้เอนไซม์หลายชนิด GA ที่พบในปัจจุบันจึงเป็นสารธรรมชาติทั้งสิ้น    ................................... ..................................................................................................................................................................การสลายตัวของจิบเบอเรลลิน
ความรู้ทางด้านนี้ยังมีไม่มากนักแต่มีหลักฐานที่แสดงให้เห็นว่าจิบเบอเรลลินมีกิจกรรมทางสรีรวิทยาอยู่ได้เป็นระยะเวลานานในเนื้อเยื่อพืช  ซึ่งตรงกันข้ามกับออกซินที่สลายตัวเร็วในเนื้อเยื่อพืช  และในเนื้อเยื่อพืชที่มีจิบเบอเรลลินอยู่สูงจะไม่แสดงผลเสีย แต่ถ้าเนื้อเยื่อพืชมีปริมาณออกซินสูงเกินไป ออกซินจะทำลายเนื้อเยื่อพืชได้  ซึ่งอาจจะเกิดมาจากการที่ออกซินกระตุ้นให้เกิดการสังเคราะห์เอทธิลีนในต้นพืช  อาจจะเป็นด้วยสาเหตุนี้ที่พืชต้องมีกระบวนการสลายออกซินเพื่อไม่ให้มีการสะสมออกซินในต้นพืชมากเกินไป  อย่างไรก็ตามจิบเบอเรลลินสามารถเปลี่ยนจากชนิดหนึ่งไปเป็นจิบเบอเรลลินอีกชนิดหนึ่งได้ในเนื้อเยื่อพืช ยิ่งไปกว่านั้นในเนื้อเยื่อพืชยังมีจิบเบอเรลลินในรูปของไกลโคไซด์ (Glycosides)  ซึ่งอาจจะเป็นวิธีการทำให้จิบเบอเรลลินไม่สามารถแสดงคุณสมบัติออกมา    กรดจิบเบอเรลลิค  ซึ่งอยู่ในสภาพสารละลายถูกทำให้สลายตัวได้โดยใช้  Acid  Hydrolysis  ที่อุณหภูมิสูงและได้ผลิตภัณฑ์คือกรดจิบเบอเรลลีนิค   (Gibberellenic   Acid)   และกรดจิบเบอริค (Gibberic Acid)

การหาปริมาณจิบเบอเรลลิน

1. ใช้วิธีโครมาโตกราฟ   เช่น GC หรือ Gas  Chromatograph  และ Paper Chromatograph

            2. ใช้วิธี Bioassay โดยการที่จิบเบอเรลลินสามารถทำให้พืชแคระ (ข้าวโพดและถั่ว) เจริญเป็นต้นปกติได้ หรือโดยการที่จิบเบอเรลลินสามารถป้องกันการเกิดการเสื่อมสลาย (Senescence)   หรือโดยหาปริมาณจิบเบอเรลลินจากการกระตุ้นให้เมล็ดข้าวบาร์เลย์สร้างเอนไซม์ แอลฟา อะมัยเลส ( a-amylase) ในอาหารสำรอง

ความสัมพันธ์ของโครงสร้างของโมเลกุลและกิจกรรมของจิบเบอเรลลิน

ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างของโมเลกุล และกิจกรรมทางสรีรวิทยาของ จิบเบอเรลลิน ยังมีการศึกษาน้อยกว่าออกซิน ตามที่กล่าวแล้วว่า ในปัจจุบันมีจิบเบอเรลลินมากกว่า 80 ชนิด ซึ่งได้จากแหล่งในธรรมชาติ เช่นจาก Gibberella fujikuroi และจากพืชชั้นสูง โครงสร้างของ GA ต่างชนิดกันจะคล้ายคลึงกันเพราะจะมีโครงสร้างพื้นฐานเหมือนกันมีลักษณะที่แตกต่างกันที่จำนวนของกลุ่มคาร์บอกซิลและความอิ่มตัวของวงแหวน A ในปัจจุบันความรู้เหล่านี้ทำให้ทราบว่าโมเลกุลที่จะมีคุณสมบัติของจิบเบอเรลลินได้นั้นต้องมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับจิบเบอเรลลินที่เกิดในธรรมชาติ ในทางตรงกันข้ามสารไดเทอร์พีนอยด์ซึ่งเกิดตามธรรมชาติซึ่งเรียกว่าสะตีวีออล (Steviol) ซึ่งไม่มีโครงสร้างพื้นฐานจิบเบน  (Gibbane) แต่มีคุณสมบัติในการกระตุ้นการเจริญเติบโตของพืชอย่างอ่อน ๆ  คล้ายคลึงกับจิบเบอเรลลิน อย่างไรก็ตามอาจจะเป็นเพราะว่าการเปลี่ยนสะตีวีออล   โดยเอนไซม์ของพืชไปสู่รูปที่มีกิจกรรมมากกว่าที่จะมีกิจกรรมของฮอร์โมนด้วยตัวเอง

เป็นที่สังเกตว่า จิบเบอเรลลิน ที่พบในปัจจุบันมีประสิทธิภาพในการกระตุ้นการเจริญเติบโตได้ไม่เท่ากัน และความจริงกิจกรรมของจิบเบอเรลลินซึ่งทดสอบกับพืชต่างชนิดกันหรือคนละพันธุ์กัน สามารถใช้แยกชนิดของจิบเบอเรลลินได้

การเคลื่อนย้ายของจิบเบอเรลลินในต้นพืช

จิบเบอเรลลินสามารถเคลื่อนย้ายหรือเคลื่อนที่ในพืชได้ทั้งทางเบสิพีตัล  และ อะโครพีตัล และการเคลื่อนที่ไม่มีโพลาริตี้  การเคลื่อนย้ายเกิดขึ้นทั้งในส่วนของท่ออาหารและท่อน้ำ แต่การเคลื่อนที่ของจิบเบอเรลลินจากยอดอ่อนลงมาสู่ส่วนล่างของลำต้นนั้นไม่ได้เกิดในท่อน้ำ ท่ออาหารเพราะส่วนของยอดอ่อนเป็นส่วนที่ดึงอาหารและธาตุอาหารให้เคลื่อนที่ขึ้นไปแบบอะโครพีตัล ดังนั้นจิบเบอเรลลินจึงไม่ได้เคลื่อนที่ทางท่ออาหาร  และยังไม่ทราบวิถีการเคลื่อนที่แน่ชัด

กลไกในการทำงานของจิบเบอเรลลิน

ที่มา : https://medscisin.files.wordpress.com/2014/02/nbt0803-873-f1.gif

การศึกษาด้านกลไกในการทำงานของจิบเบอเรลลินเกิดจากการที่พบว่ามีระดับของกิจกรรมของเอนไซม์หลายชนิดมีผลกระทบจากปริมาณของจิบเบอเรลลิน เอนไซม์ซึ่งมีกิจกรรมเพิ่มขึ้นเมื่อได้รับจิบเบอเรลลินคือ เอนไซม์ แอลฟาและเบตา-อะมัยเลส (a และ  b-amylase) โปรตีเอส  (Protease) และไรโบนิวคลีเอส  (Ribonuclease) ซึ่งพบในเมล็ดข้าวบาร์เลย์ซึ่งกำลังงอก นอกจากนั้นในพืชบางชนิดยังพบว่ากิจกรรมของไนเตรทรีดักเตส (Nitrate  Reductase)  และ ไรบูโลสฟอสเฟสคาร์บอกซิเลส (Ribulose Phosphate Carboxylase) มีกิจกรรมเพิ่มขึ้นด้วย  ใน  ต้นอ้อยนั้น พบว่า ผลของจิบเบอเรลลินจะชะลอการสังเคราะห์อินเวอร์เทส(Invertase) และ เพอรอกซิเดส (Peroxidase) ความสนใจในกลไกการทำงานของจิบเบอเรลลิน จึงเน้นไปที่การศึกษาว่าจิบเบอเรลลินควบคุมกิจกรรมของเอนไซม์ได้เพราะเป็นผลเนื่องมาจากเปลี่ยนแปลงการสังเคราะห์โปรตีนโดย RNA

การศึกษาตัวอย่างของระดับกิจกรรมของเอนไซม์ซึ่งถูกควบคุมโดยจิบเบอเรลลิน ทำกันมากในเอนไซม์ แอลฟา อะมัยเลส ในเมล็ดข้าวบาร์เลย์      ในเมล็ดข้าวบาร์เลย์ที่แห้งที่ยังไม่ดูดซับน้ำจะไม่มีเอนไซม์แอลฟา อะมัยเลสปรากฏอยู่   เอนไซม์นี้จะปรากฏขึ้นและปลดปล่อยออกมาจากชั้นของอะลีโรนของเมล็ด  เป็นการตอบสนองต่อจิบเบอเรลลินซึ่งสังเคราะห์จากต้นอ่อนที่กำลังงอก เนื้อเยื่อชั้นอะลีโรนซึ่งแยกจากเมล็ดที่ไม่งอกจะมีกิจกรรมของแอลฟา อะมัยเลส น้อยมาก แต่ถ้านำเนื้อเยื่อนี้ไปแช่ในจิบเบอเรลลินจะทำให้เกิดการเพิ่มกิจกรรมของแอลฟา อะมัยเลสมากขึ้นโดยเกิดขึ้นหลังจากแช่ไว้นาน 8 ชั่วโมงแล้ว การกระตุ้นให้เกิดการสร้างแอลฟา อะมัยเลสนี้    จะชะงักไปเมื่อใช้สารระงับการสังเคราะห์ RNA และโปรตีน  รวมอยู่ในสารละลายจิบเบอเรลลิน    ซึ่งจากการทดลองดังกล่าวแสดงว่าจิบเบอเรลลินควบคุมกิจกรรมของแอลฟา อะมัยเลส ผ่านทางการสังเคราะห์ RNAสารชะงักการสังเคราะห์ RNA เช่น แอคติโนมัยซิน-ดี (Actinomycin-D) จะชะงักกระบวนการกระตุ้นการสังเคราะห์ RNA 2-3 ชั่วโมง หลังจากเติมจิบเบอเรลลิน ในขณะที่สารชะงักการสังเคราะห์โปรตีน เช่น ไซโคลเฮคซิไมด์(Cycloheximide) จะระงับการปรากฏของกิจกรรมของแอลฟา อะมัยเลส หลังจากช่วง "lag" เริ่มต้น

กลไกในการทำงานขั้นแรกของจิบเบอเรลลินนั้นจะเปลี่ยนระบบเยื่อหุ้มเซลล์แล้วจึงจะไปมีผลในการกระตุ้นการสังเคราะห์ RNA และโปรตีน นั่นคือในการกระตุ้นระยะสั้นจะเกี่ยวข้องกับระบบเยื่อหุ้มเซลล์ ในระยะยาวจะเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ RNA และโปรตีน กลไกที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนระบบของเยื่อหุ้ม คือ เพิ่มการสังเคราะห์เยื่อหุ้มทำให้เกิดเอนโดพลาสมิคเรตติคิวลัม มากขึ้น   และกระตุ้นการสร้างเวสซิเคิลซึ่งมีเอนไซม์อยู่ภายใน      นอกจากนั้นยังกระตุ้นให้มีการปลดปล่อย แอลฟา อะมัยเลส ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ออกมา

บทบาทของจิบเบอเรลลินที่มีต่อพืช

ที่มา : https://medscisin.files.wordpress.com/2014/02/e0b8a3e0b8b9e0b89be0b8a0e0b8b2e0b89e10.jpg

1. กระตุ้นการเจริญเติบโตของพืชทั้งต้น จิบเบอเรลลินมีคุณสมบัติพิเศษ  ซึ่งสามารถกระตุ้นการเจริญเติบโตของพืชทั้งต้นได้โดยทำให้เกิดการยืดตัวของเซลล์ ซึ่งผลนี้จะต่างจากออกซินซึ่งสามารถกระตุ้นการเจริญเติบโตของชิ้นส่วนของพืชได้ พืชบางชนิดอาจจะไม่ตอบสนองต่อจิบเบอเรลลิน  อาจจะเป็นเพราะว่าในพืชชนิดนั้นมีปริมาณจิบเบอเรลลินเพียงพอแล้ว  จิบเบอเรลลินสามารถกระตุ้นการยืดยาวของช่อดอกไม้บางชนิดและทำให้ผลไม้มีรูปร่างยาวออกมา เช่น องุ่น และแอปเปิล

กะหล่ำปลีซึ่งเจริญในลักษณะต้นเตี้ยเป็นพุ่ม (Rosette) มีปล้องสั้นมาก เมื่อให้ GA₃ กับต้นกะหล่ำปลีดังกล่าวจะทำให้สูงขึ้นถึง 2 เมตรได้ ถั่วพุ่มที่ได้รับ GA จะกลายเป็นถั่วเลื้อยได้ พืชซึ่งมีต้นเตี้ยทางพันธุกรรม เช่น ข้าว ข้าวโพด ถั่ว แตงกวาและแตงโมสามารถแสดงลักษณะปกติได้เมื่อได้รับ  GA₃   ในข้าวโพดแคระนั้นพบว่าความผิดปกติเกิดจากยีนส์ควบคุม ซึ่งอาจจะเกี่ยวพันกับวิถีในการสังเคราะห์จิบเบอเรลลิน ส่วนข้าวโพดปกติหากได้รับจิบเบอเรลลินจะไม่สามารถสูงขึ้นได้อีก ดังนั้นในกรณีข้าวโพดการแคระเกิดจากมีปริมาณจิบเบอเรลลินในต้นน้อยเกินไป  แต่อาการแคระของพืชบางชนิด เช่น  Japanese Morning Glory พบว่ามีจิบเบอเรลลินมากพอแล้ว แต่เมื่อได้รับ  จิบเบอเรลลินเพิ่มก็จะสูงขึ้นได้ ในกรณีนี้อาจจะเป็นเพราะในต้นมีปริมาณของสารระงับการ      เจริญเติบโตอยู่สูง

2. กระตุ้นการงอกของเมล็ดที่พักตัวและตาที่พักตัว  ตาของพืชหลายชนิดที่เจริญอยู่ในเขตอบอุ่นจะพักตัวในฤดูหนาว เมล็ดของพืชหลายชนิดมีพฤติกรรมเช่นนี้ด้วย ซึ่งการพักตัวจะลดลงจนหมดไป  เมื่อได้รับความเย็นเพียงพอ การพักตัวของเมล็ดและตา อันเนื่องมาจากต้องการอุณหภูมิต่ำ  วันยาว และต้องการแสงสีแดงจะหมดไปเมื่อได้รับจิบเบอเรลลิน

3. การแทงช่อดอก    การออกดอกของพืชเกี่ยวข้องกับปัจจัยหลายอย่าง  เช่น อายุ และสภาพแวดล้อม  จิบเบอเรลลินสามารถแทนความต้องการวันยาวในพืชบางชนิดได้ และยังสามารถทดแทนความต้องการอุณหภูมิต่ำ (Vernalization)  ในพืชพวกกะหล่ำปลี และแครอท

4.จิบเบอเรลลิน   สามารถกระตุ้นการเคลื่อนที่ของอาหารในเซลล์สะสมอาหาร     หลังจากที่เมล็ดงอกแล้ว  เพราะรากและยอดที่ยังอ่อนตัวเริ่มใช้อาหาร เช่น  ไขมัน  แป้ง และโปรตีน จากเซลล์สะสมอาหาร จิบเบอเรลลินจะกระตุ้นให้มีการย่อยสลายสารโมเลกุลใหญ่ให้เป็นโมเลกุลเล็ก เช่น ซูโครสและกรดอะมิโน ซึ่งเกี่ยวพันกับการสังเคราะห์เอนไซม์หลายชนิดดังกล่าวข้างต้น

5. กระตุ้นให้เกิดผลแบบ Parthenocarpic ในพืชบางชนิด เปลี่ยนรูปร่างของใบพืชบางชนิด เช่น English Ivy และทำให้พืชพัฒนาการเพื่อทนความเย็นได้

6. พืชที่มีดอกตัวผู้ และตัวเมียแยกกันไม่ว่าจะต้นเดียวกัน   หรือแยกต้นก็ตาม จิบเบอเรลลินสามารถเปลี่ยนเพศของดอกได้  จิบเบอเรลลินมักเร่งให้เกิดดอกตัวผู้         ส่วนออกซิน  เอทธิลีน และไซโตไคนินมักจะเร่งให้เกิดดอกตัวเมีย  ในแตงกวาดอกล่าง ๆ มักเป็นดอกตัวผู้ และดอกบนเป็นดอกตัวเมีย การให้สารอีธีฟอนจะเร่งให้เกิดดอกตัวเมียขึ้น