สารควบคุมการเจริญของพืชและ ฮอร์โมนพืช

สารควบคุมการเจริญของพืชและฮอร์โมนพืช

ซึ่งหมายรวมถึงฮอร์โมนพืชด้วย ที่นิยมใช้ ได้แก่ ออกซิน และไซโทไคนิน เนื่องจากจะช่วยกระตุ้นการแบ่งเซลล์ การเจริญเติบโต และการเกิดเป็นโครงสร้างต่างๆ ของเนื้อเยื่อพืชในหลอดทดลอง โดยที่ซิน และไซโทไคนิน ที่ใส่ในอาหารสังเคราะห์ จะช่วยเสริมฮอร์โมน ที่เซลล์พืชสร้างขึ้นเอง จากการทดลองเลี้ยงเนื้อเยื่อยาสูบ และพืชอีกหลายชนิด พบว่า ออกซินชักนำให้เกิดแคลลัส และในพืชใบเลี้ยงคู่หลายชนิดพบว่า หากใช้ออกซินร่วมกับไซโทไคนิน จะช่วยให้แคลลัส เพิ่มปริมาณได้ดีขึ้น นอกจากนี้ จากการทดลองศึกษาการสร้างยอดและรากในยาสูบ พบว่า หากได้รับสัดส่วนของปริมาณออกซิน : ไซโทไคนินต่ำ เนื้อเยื่อที่เลี้ยงในหลอดทดลอง จะมีการพัฒนาเป็นยอด และจะพัฒนาเป็นราก เมื่อได้รับสัดส่วน ของปริมาณ ออกซิน : ไซโทไคนินสูง ส่วนการเกิดโซมาติกเอ็มบริโอ เช่น ในการเลี้ยงเนื้อเยื่อรากแครอตนั้น มักต้องถูกกระตุ้นด้วยออกซิน เช่น ทูโฟร์-ดี (2, 4-D  หรือ 2, 4-dichlorophenoxyacetic acid) ในปริมาณสูงก่อน แล้วจึงลด หรืองดการให้ออกซิน เพื่อให้เซลล์ของแคลลัสพัฒนา เป็นโซมาติกเอ็มบริโอ การตอบสนองต่อฮอร์โมนในพืชแต่ละชนิด อาจต่างกันได้ ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับชนิดของเนื้อเยื่อ และชนิดของพืช ซึ่งมีระดับฮอร์โมนภายใน ที่แตกต่างกัน ส่วนฮอร์โมน เช่น จิบเบอเรลลินส์ (gibberellins) นำมาใช้เพื่อช่วยให้ยอดเจริญยืดตัวขึ้นได้ แต่มักมีผลยับยั้งการเกิดยอด ราก และโซมาติกเอ็มบริโอ เมื่อใช้ในปริมาณมาก สำหรับสารยับยั้งการเจริญ เช่น แอบซิสซิกแอซิด (abscissic acid) นิยมใช้ในการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อค่อนข้างน้อย ส่วนสารชะลอการเจริญ เช่น แพกโคลบิวทราโซล (paclobutrazol) อาลาร์ (alar) ฯลฯ ใช้อยู่บ้าง ในกรณีที่ต้องการชะลอการเจริญเติบโตของยอด เพื่ออนุรักษ์พันธุ์พืช ในหลอดทดลอง
การเลี้ยงเนื้อเยื่อรากสะสมอาหารแครอต โดยการชักนำให้เกิดแคลลัสในอาหารที่เติมออกซินทูโฟร์-ดี (2, 4-D) (ขั้นตอนที่ ๑ และ ๒) และเพิ่มจำนวนเซลล์ที่สามารถเจริญเป็นโซมาติกเอ็มบริโอได้ (ขั้นตอนที่ ๓ และ ๔) แล้วย้ายมาเลี้ยงในอาหารที่งดออกซิน (ขั้นตอนที่ ๕ – ๗) เพื่อให้เซลล์พัฒนาเป็นโซมาติกเอ็มบริโอ หรือเอ็มบริออยด์ ซึ่งเจริญต่อไปเป็นต้นแครอตได้

ฮอร์โมนพืชเป็นสารเคมีภายในพืชซึ่งเกี่ยวข้องกับการเจริญของพืชไม่เพียงแต่การเจริญของพืชทั้งต้นเท่านั้น หากแต่ยังเกี่ยวข้องกับการเจริญของพืชแต่ละส่วนด้วย ในปัจจุบันทราบกันดีแล้วว่าฮอร์โมนพืชมีทั้งชนิดที่กระตุ้นการเจริญเติบโต และระงับการเจริญเติบโต ฮอร์โมนพืชที่พบในปัจจุบันคือออกซิน (Auxin) จิบเบอเรลลิน (Gibberellins) ไซโตไคนิน(Cytokinins) กรดแอบซิสิค (Abscisic Acid) หรือ ABA และ เอทธิลีน (Ethylene) ซึ่งมีสภาพเป็นก๊าซ

ฮอร์โมนพืช (Phytohormone) คือ สารเคมีที่พืชสร้างขึ้นในปริมาณเพียงเล็กน้อย และ มีผลต่อขบวนการ หรือ ควบคุมการเจริญในพืช (Plant Development)

ฮอร์โมนพืชสามารถเคลื่อนย้ายภายในต้นพืชได้และมีผลกระทบต่อการเจริญเติบโต การเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพและการพัฒนาของเนื้อเยื่อ และอวัยวะของพืชซึ่งได้รับฮอร์โมนนั้น ๆ คำว่า ฮอร์โมน นั้นเริ่มใช้โดยนักสรีรวิทยาของสัตว์ ซึ่งต่อมานักสรีรวิทยาของพืชได้นำมาใช้กับสารประกอบอินทรีย์ ซึ่งสามารถมีผลกระทบในปริมาณที่น้อยมาก โดยพืชจะสังเคราะห์ที่ส่วนหนึ่งแล้วเคลื่อนย้ายไปยังอีกส่วนหนึ่ง และมีผลต่อกระบวนการทางสรีรวิทยาที่ค่อนข้างเฉพาะเจาะจง ดังนั้นในการศึกษาทางด้านฮอร์โมนจึงมักศึกษาในแง่ของแหล่งและกระบวนการสังเคราะห์ การเคลื่อนที่และเคลื่อนย้าย และปฏิกิริยาของฮอร์โมนที่มีต่อพืช

สารควบคุมการเจริญเติบโต (Plant Growth Regulator) เป็นสารเคมีที่สำคัญในการเกษตร เป็นสารอินทรีย์ซึ่งมนุษย์สังเคราะห์ขึ้นมาได้ ซึ่งบางชนิดมีคุณสมบัติเหมือนฮอร์โมนพืช มนุษย์รู้จักการใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตมานานแล้ว เช่น กระตุ้นให้มะม่วงหรือสับปะรดออกดอกโดยการจุดไฟข้างสวน เพื่อให้เกิดควันซึ่งมีเอทธิลีนปนอยู่ สามารถกระตุ้นให้เกิดการออกดอกได้ ถึงแม้ว่าในขณะนั้นจะยังไม่ทราบสาเหตุที่แท้จริงก็ตาม

การแสดงออกถึงลักษณะต่าง ๆ ของพืชจะเกิดจากพันธุกรรมและสภาพแวดล้อม ซึ่งรวมกับฮอร์โมนด้วย เช่น การปลูกผักกาดขาวปลีบางพันธุ์ในฤดูร้อน ผักกาดขาวปลีจะไม่เข้าหัว ฮอร์โมนบางชนิดสามารถกระตุ้นให้ผักกาดขาวปลีเข้าหัวได้ ซึ่งในกรณีนี้ฮอร์โมนจะทดแทนสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมได้

ในประเทศไทยการใช้ฮอร์โมนพืชมีวัตถุประสงค์ในทางการเกษตรเพื่อให้มีผลผลิต เพื่อเพิ่มผลผลิตและคุณภาพ และเพื่อความสะดวกในการจัดการฟาร์ม

ปัจจุบัน จะแบ่งฮอร์โมนพืชออกเป็น

1. ออกซิน (Auxins) เป็นสารสังเคราะห์ที่ใช้เร่งราก เปลี่ยนเพศดอก ป้องกันผลร่วง หรือจำกัดวัชพืช ได้แก่ IAA NAA (PlanofixR) IBA (SeradixR)2, 4-D และ 4-CPA
2. จิบเบอเรลลิน (Gibberellins) สกัดจากเชื้อราบางชนิด ควบคุมการยืดตัวของเซลล์ การติดผล การเกิดดอก เร่งการเจริญเติบโต ทำลายการพักตัวของเมล็ด ได้แก่ GA ที่ใช้กันมากในปัจจุบันคือ GA3
3. ไซโตไคนิน (Cytokinins) ควบคุมการแบ่งเซลล์ การเจริญเติบโตด้านกิ่งใบ การแตกแขนง ชะลอการแก่ ได้แก่ kinetin (SEA-BORNR), BAP
4. เอทิลีนและสารปลดปล่อยเอทิลีน (Etylene and Etylene releasing compounds) สารเอทืลีนเป็นก๊าซ ปัจจุบันพัฒนาเป็นของแข็ง ใช้ในการาเร่งดอกสับปะรด เร่งการสุกของผลไม้ เร่งการไหลของน้ำยาง ทำลายการพักตัว ได้แก่สาร ethephon (EthrelR) และ acetylene (เกิดจากถ่านก๊าซ calcium carbide กับน้ำ)
5. ชะลอการเจริญเติบโต (Plant Growth Retadants) ไม่พบตามธรรมชาติในพืช ทำงารตรงกันข้ามกับ GA ใช้ชะลอการเจริญเติบโต เช่น ลดความสูงของต้นทำให้ปล้องสั้นลง เพิ่มผลผลิตผัก ป้องกันการหกล้มของธัญพืช ได้แก่ chlomequat (CycocelR), daminozide (AlarR85), mepiquat chlorise (PixR), paxlobutrazol (CultarR)
6. สารยับยั้งการเจริญเติบโต (Plant Growth Inhibitors) ใช้ควบคุมไม่ให้พืชโตมากเกินไป นอกจากนี้ hydrazide (OZO-MHR) chlofurenol หรือ morphactin, dikegulac-sodium ใช้เพิ่มการแตกกาข้าง ป้องกันการงอกของมันฝรั่ง หอมหัวใหญ่ ป้องกันการเกิดหน่อของยาสูบ และสารอื่นๆ

• Foleisteine (ErgostimR) กระตุ้นการงอกของเมล็ด เพิ่มการติดผลและเพิ่มผลผลิตของพืชหลายชนิด เช่น ข้าว ข้าวโพด ข้าวสาลี องุ่น ส้ม สตอเบอรี่
• Glyphosine (PolarisR) เร่งการแก่ของอ้อย เพิ่มน้ำตาล
• Glyphosate (RoundupR) เร่งการแก่ของอ้อย เพิ่มน้ำตาลเป็นยากำจัดวัชพืชประเภทยาดูดซึม
• Paraqyet (GranoxomeR) ทำลายส่วนสีเขียว ทำให้ใบร่วง
• Sodium mono-nitro-quaiacol (AtonikR) ใช้เร่งการเจริญเติบโต เพิ่มการติดผล ป้องกันใบร่วง

ออกซิน (Auxin)
ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับออกซินนั้นเกิดขึ้นจากงานของ Charles Darwin ซึ่งศึกษาเรื่อง Phototropism ซึ่งพืชจะโค้งงอเข้าหาแสง Darwin ทดลองกับต้นกล้าของ Phalaris canariensis และพบว่าโคลีออพไทล์ของพืชชนิดนี้จะตอบสนองต่อการได้รับแสงเพียงด้านเดียวทำให้เกิดการโค้งเข้าหาแสง Darwin สรุปว่าเมื่อต้นกล้าได้รับแสงจะทำให้มี “อิทธิพล” (Influence) บางอย่างส่งผ่านจากส่วนยอดมายังส่วนล่างของโคลีออพไทล์ ทำให้เกิดการโค้งงอเข้าหาแสง ซึ่งนักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาได้ศึกษาถึง “อิทธิพล” ดังกล่าว
ต่อมา Boysen-Jensen และ Paal ได้ศึกษาและแสดงให้เห็นว่า “อิทธิพล” ดังกล่าวนี้มีสภาพเป็นสารเคมี ซึ่งในสภาพที่โคลีออพไทล์ได้รับแสงเท่ากันทั้งสองด้าน สารเคมีนี้จะเคลื่อนที่ลงสู่ส่วนล่างของโคลีออพไทล์ ในอัตราเท่ากันทุกด้านและทำหน้าที่เป็นสารกระตุ้นการเจริญเติบโต
ในปี ค.ศ. 1926 Went ได้ทำงานทดลองและสามารถแยกสารชนิดนี้ออกจากโคลีออพไทล์ได้ โดยตัดส่วนยอดของโคลีออพไทล์ของข้าวโอ๊ตแล้ววางลงบนวุ้นจะทำให้สารเคมีที่กระตุ้นการเจริญเติบโตไหลลงสู่วุ้น เมื่อนำวุ้นไปวางลงที่ด้านหนึ่งของโคลีออพไทล์ที่ไม่มียอดด้านใดด้านหนึ่งจะทำให้โคลีออพไทล์ดังกล่าวโค้งได้ เขาสรุปว่าสารเคมีได้ซึมลงสู่วุ้นแล้วซึมจากวุ้นลงสู่ส่วนของโคลีออพไทล์ วิธีการดังกล่าวนอกจากเป็นวิธีการแรกที่แยกสารเคมีชนิดนี้ได้แล้ว ยังเป็นวิธีการวัดปริมาณของฮอร์โมนได้ด้วย เป็นวิธีที่เรียกว่า Bioassay
สารเคมีดังกล่าวได้รับการตั้งชื่อว่า ออกซิน ซึ่งในปัจจุบันพบในพืชชั้นสูงทั่วๆ ไป และมีความสำคัญต่อการเจริญเติบโตของพืช สังเคราะห์ได้จากส่วนเนื้อเยื่อเจริญของลำต้น ปลายราก ใบอ่อน ดอกและผล และพบมากที่บริเวณเนื้อเยื่อเจริญ โคลีออพไทด์และคัพภะ รวมทั้งใบที่กำลังเจริญด้วย

การตอบสนองของพืชต่อออกซิน

1. การตอบสนองในระดับเซลล์ ออกซินทำให้เกิดการขยายตัวของเซลล์ (Cell enlargement) เช่น ทำให้เกิดการขยายตัวของใบ ทำให้ผลเจริญเติบโต เช่น กรณีของสตรอเบอรี่ ถ้าหากกำจัดแหล่งของออกซิน ซึ่งคือส่วนของเมล็ดที่อยู่ภายนอกของผล (ผลแห้งแบบ Achene) จะทำให้เนื้อเยื่อของผลบริเวณที่ไม่มีเมล็ดรอบนอกไม่เจริญเติบโต ออกซินทำให้เกิดการแบ่งเซลล์ได้ในบางกรณี เช่น กระตุ้นการแบ่งเซลล์ของแคมเบียมและกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางคุณภาพ เช่น กระตุ้นให้เกิดท่อน้ำและท่ออาหาร กระตุ้นให้เกิดรากจากการปักชำพืช เช่น การใช้ IBA ในการเร่งรากของกิ่งชำ แล้วยังกระตุ้นให้เกิดแคลลัส (Callus) ในการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ แต่การตอบสนองในระดับเซลล์ที่เกิดเสมอคือ การขยายตัวของเซลล์
2. การตอบสนองของอวัยวะหรือพืชทั้งต้น
   2.1 เกี่ยวข้องกับการตอบสนองของพืชต่อแสง (Phototropism) Geotropism ดังได้กล่าวมาแล้ว
   2.2 การที่ตายอดข่มไม่ให้ตาข้างเจริญเติบโต (Apical Dominance)
   2.3 การติดผล เช่น กรณีของมะเขือเทศ ออกซินในรูปของ 4 CPA จะเร่งให้เกิดผลแบบ Pathenocarpic และในเงาะถ้าใช้ NAA 4.5 เปอร์เซ็นต์ จะเร่งการเจริญของเกสรตัวผู้ทำให้สามารถผสมกับเกสรตัวเมียได้ ในดอกที่ได้รับ NAA เกสรตัวเมียจะไม่เจริญเพราะได้รับ NAA ที่มีความเข้มข้นสูงเกินไป แต่เกสรตัวผู้ยังเจริญได้ ทำให้การติดผลเกิดมากขึ้น
   2.4 ป้องกันการร่วงของผลโดยออกซินจะยับยั้งไม่ให้เกิด Abcission layer ขึ้นมา เช่น การใช้ 2,4-D ป้องกันผลส้มไม่ให้ร่วง หรือ NAA สามารถป้องกันการร่วงของผลมะม่วง
   2.5 ป้องกันการร่วงของใบ
   2.6 ในบางกรณีออกซินสามารถทำให้สัดส่วนของดอกตัวเมีย และตัวผู้เปลี่ยนไปโดยออกซินจะกระตุ้นให้มีดอกตัวเมียมากขึ้น

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 ส่วนการศึกษาจิบเบอเรลลินในช่วงแรกจะเป็นไปในแง่ของโรคพืช ในการศึกษาขั้นแรกค่อนข้างยากเพราะมักจะมีกรดฟิวซาริค (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

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

การเคลื่อนย้ายของจิบเบอเรลลินในต้นพืช
จิบเบอเรลลินสามารถเคลื่อนย้ายหรือเคลื่อนที่ในพืชได้ทั้งทางเบสิพีตัล และ อะโครพีตัล และการเคลื่อนที่ไม่มีโพลาริตี้ การเคลื่อนย้ายเกิดขึ้นทั้งในส่วนของท่ออาหารและท่อน้ำ แต่การเคลื่อนที่ของจิบเบอเรลลินจากยอดอ่อนลงมาสู่ส่วนล่างของลำต้นนั้นไม่ได้เกิดในท่อน้ำ ท่ออาหารเพราะส่วนของยอดอ่อนเป็นส่วนที่ดึงอาหารและธาตุอาหารให้เคลื่อนที่ขึ้นไปแบบ อะโครพีตัล ดังนั้นจิบเบอเรลลินจึงไม่ได้เคลื่อนที่ทางท่ออาหาร และยังไม่ทราบวิถีการเคลื่อนที่แน่ชัด