УЧЕБНИК
ФИЗИОЛОГИЯ И
БИОХИМИЯ
СЕЛЬСКО*
ХОЗЯЙСТВЕННЫХ
РАСТЕНИЙ
УДК 581.1:633(075.8) ББК41.2я73
Ф50
Авторы: проф. Н. Н. Третьяков — «Введение», главы 7 (совместно с А. С. Лосевой и проф. Н. М. Макрушиным), 8 (совместно
с А. С. Лосевой), 10; проф. Е. И. Кошкин — главы 2 (совместно с Н.
В. Пилыциковой), 3; проф. Н. Н. Новиков — главы 6, 9; доцент Т.
В. Карнаухова — глава 1; доцент Н. В. Пилыцикова— главы 4, 5.
Редактор А. С. Максимова
Рецензент доктор сельскохозяйственных наук, профессор М. К. Литвинова (Мичуринский
государственный педагогический институт)
Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений Ф50
/Н. Н. Третьяков, Е. И. Кошкин, Н. М. Макрушин и др.;
под ред. Н. Н. Третьякова. — М.: Колос, 2000 — 640 с.: ил. —
(Учебники и учеб, пособия для студентов высш. учеб, заведений).
ISBN 5-10-002915-3.
Рассмотрены физиологические функции растений на примере основных
сельскохозяйственных культур. Большое внимание уделено современным
представлениям о водном обмене растений, их минеральному питанию,
регуляторным механизмам роста и развития растений, адаптации растений к
экологическим факторам среды.
Изложены физиология и биохимия формирования качества урожая
сельскохозяйственных культур.
Для студентов сельскохозяйственных вузов по агрономическим специальностям.
УДК 581.1:633(075.8) ББК
41.2я73
ВВЕДЕНИЕ
ISBN 5-10-002915-3
© Издательство «Колос», 1998
Предмет и задачи физиологии растений. Физиология растений
— наука, которая изучает процессы жизнедеятельности и функции
растительного организма на всем протяжении его онтогенеза при всех
возможных условиях внешней среды; наука об организации,
управлении и интеграции функциональных систем в растительном
организме; наука о функциональной активности растительных
организмов.
Биохимия растений изучает химический состав и превращение
веществ у растений.
Объектом изучения физиологии и биохимии растений служит
громадный и разнообразный мир растений. Предметом физиологии
являются
функции
растений,
функциональные
системы,
обеспечивающие реализацию генетической программы роста и
развития. Функции зеленого автотрофного растения: питание
(воздушное — фотосинтез, почвенное — минеральное и водное);
дыхание; рост и развитие; размножение и др. Функции зеленого
автотрофного растения можно объединить в четыре группы жизненных явлений: процессы превращения веществ, превращения
энергии, изменения формы, управления и информации растительных
организмов.
Взаимная координация этих процессов обеспечивает существование растений в непрерывно изменяющихся условиях внешней
среды, продуктивность ценозов и агрофитоценозов. Поэтому
необходимо исследование функций целого растения и функций посева
как единой системы. Урожай сельскохозяйственной культуры
является результатом взаимосвязанных физиологических процессов
растений, составляющих ценоз, определяется особенностями
конкретного вида и сорта растения, условиями, в которых оно
выращивается.
/ТГ задачи физиологии растений входят раскрытие сущности
процессов, протекающих в растении, установление их взаимной связи,
изменения под влиянием среды механизмов их регуляции Главная
задача физиологии растений — раскрытие сущности процессов
жизнедеятельности растительного организма в онтогенезе в
различных условиях среды с целью управления ходом роста и
развития растений, формированием урожая и его качеством. Управление качеством является особо важной задачей биохимии
растений.
По мнению К. А. Тимирязева, «цель стремлений физиологии
растений заключается в том, чтобы изучить и объяснить жизненные
явления растительного организма и не только изучить и объяснить их,
но путем этого изучения и объяснения вполне подчинить их разумной
воле человека так, чтобы он мог по произволу видоизменять,
прекращать или вызывать эти явления». Конечная цель
физиологических исследований — разработка приемов управления
обменом веществ конкретных видов и сортов растений путем
активного вмешательства в деятельность функциональных систем,
определяющих рост и развитие растений, их конечную
продуктивность и качество урожая.
Глубокое изучение биохимических превращений веществ позволяет установить их связь с физиологическими процессами. Зная
общие закономерности жизнедеятельности растительного организма,
агроном может средствами агротехники создавать благоприятные
условия для получения устойчивых урожаев зерна, кормовых,
технических и других сельскохозяйственных культур, наивысшей их
продуктивности. Особая задача физиологии — создание новых
скороспелых,
высокопродуктивных
и
устойчивых
сортов
сельскохозяйственных
растений.
Учитывая
ухудшающуюся
экологическую обстановку, система агрономических мероприятий,
обеспечивая высокую продуктивность растениеводства, должна
одновременно способствовать охране природы. В этом также немалая
роль физиологии растений.
J Место физиологии растений в системе биологических дисциплин. Физиология растений относится к биологическим, теоретическим наукам, является отраслью экспериментальной ботаники,
которая в XIX в. выделилась в самостоятельную науку. В разное
время на базе физиологии растений сформировались вирусология
(1902 г.), агрохимия (1910 г.), химия гербицидов и стимуляторов роста
(1925 г.), микробиология (1930 г.), биохимия (1930 г.). Физиология
растений тесно связана с биохимией, биофизикой, микробиологией,
цитологией, генетикой, молекулярной биологией, химией, физикой,
использует современные методы химии, физики, математики,
кибернетики. Успешное развитие биохимии способствует изучению
обмена веществ и энергии растений на субклеточном и молекулярном
уровнях. Трудно установить границы между отдельными
биологическими науками, науками о жизни. Однако прежде всего
физиология растений обеспечивает необходимую интеграцию всех
биологических знаний на уровне целого растения и ценоза, в этом ее
особая роль в системе биологических наук.
2 Физиология растений как фундаментальная основа агрономических наук. К. А. Тимирязев неоднократно указывал, что физиология растений является теоретической основой рационального
земледелия. Изучая основные закономерности жизнедеятельности
растений, раскрывая зависимость функций растений от условий
внешней среды, физиология растений является фундаментальной
основой всех агрономических наук (земледелие, растениеводство,
овощеводство и др.), создает теоретическую основу агротехнических
систем, направленных на повышение урожайности и качества
продукции сельскохозяйственных культур. Фундаментальную основу
современного
научного
земледелия
и
агротехники
сельскохозяйственных культур составляют результаты исследований
и рекомендации в области:
теории фотосинтетической продуктивности посевов, разработки
методов повышения использования растениями солнечной энергии,
позволяющих довести использование ФАР до 3—5 % (вместо 0,5—
1,5 %);
разработки физиологических основ и способов применения
минеральных удобрений под сельскохозяйственные культуры,
позволяющие более эффективно использовать минеральные
удобрения без вредных экологических последствий;
раскрытия механизмов и повышения уровня биологической
фиксаций азота атмосферы бобовыми растениями;
выяснения составляющих водного баланса растений и разработки
приемов более продуктивного использования осадков, оросительной
воды,
внедрения
капельного
и
импульсного
орошения,
автоматизированных оросительных систем;
раскрытия природы механизмов устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды, приемов, позволяющих
растению в экстремальных условиях не только выжить, но и
обеспечить достаточно высокую продуктивность (приемы повышения морозоустойчивости, холодостойкости, солеустойчи- вости
и др.);
физиологии иммунитета растений, механизмов и условий, повышающих устойчивость сельскохозяйственных растений к болезням
и вредителям;
познания регуляторных систем и механизмов, обеспечивающих
упорядоченность и регуляцию физиологических процессов,
способность растений к адаптации в широком диапазоне меняющихся
условий среды;
использования фитогормонов и синтетических регуляторов роста,
позволяющих направленно влиять на ход формирования урожая и его
качество в технологиях сельскохозяйственных культур;
использования специальных методов и технических средств
диагностики функционального состояния растений в полевых
условиях, в селекционном процессе, в закрытом грунте для успешного «диалога» с ним с целью оптимизации условий выращивания, борьбы с болезнями и вредителями, оценки засухо-, морозо, солеустойчивости (показатели газообмена, биоэлектрические
потенциалы, градиенты температур, скорость водного тока и др.);
теоретических физиологических и биохимических основ хранения
ч
урожая, снижения его потерь с использованием инертных газов,
полупроницаемых мембран, консервантов и др.;
изучения потребности оптимальных режимов и способов облучения отдельных видов и сортов растений в сооружениях защищенного грунта в овощеводстве, в селекционном процессе;
изучения процессов и механизмов распределения ассимилятов в
онтогенезе растений в целях направленного формирования урожаев.
Как фундаментальная область знаний физиология растений
служит также теоретической основой биотехнологии и биоинженерии
растений.
Применение минеральных удобрений, гербицидов, физиологически активных веществ, химических препаратов для защиты
растений от болезней и вредителей требует дальнейшего глубокого и
всестороннего изучения их влияния на рост и обмен веществ
растительных организмов с целью значительного повышения
продуктивности сельскохозяйственных растений. В селекционном
процессе, при разработке агротехнических приемов и осуществлении
технологий сельскохозяйственных культур необходимо основываться
на достигнутом уровне знаний физиологии конкретной
сельскохозяйственной культуры.
Главнейшие этапы развития физиологии растений как науки.
Физиология растений зародилась в XVII—XVIII вв. Датой ее
рождения как науки считают 1800 г., когда был издан пятитомный
труд швейцарского ботаника Ж. Сенебье «Физиология растений».
Этот ученый предложил термин «физиология растений»,
сформулировал основные задачи новой науки. Основоположниками
физиологии растений в России являются Андрей Сергеевич
Фаминцын (1835—1918) и Климент Аркадиевич Тимирязев (1843—
1920). А. С. Фаминцын, академик Российской академии наук, в 1867
г. организовал в Санкт-Петербургском университете первую в России
кафедру физиологии растений, а в системе Академии наук —
лабораторию анатомии и физиологии растений, прообраз
современного Института физиологии растений АН России (ИФР). Он
автор книги «Обмен веществ и превращение энергии в растениях»
(1883 г.) и первого отечественного учебника по физиологии растений
(1887 г.). Среди учеников А. С. Фаминиына Д. И. Ивановский,
открывший вирусы (1892 г.), М. С. Цвет, разработавший принципы
адсорбционнохроматографического анализа (1903 г.), О. В.
Баранецкий,
С. Н. Виноградский, В. А. Ротерт, А. А. Рихтер и другие известные
ученые.
/К. А. Тимирязев — профессор Петровской земледельческой и
лесной академии (ныне Московская сельскохозяйственная академия
имени К. А. Тимирязева) и Московского государственного
университета, академик Российской академии наук. Основные
исследования К. А. Тимирязева посвящены процессу фотосинтеза. Им
опубликованы труды «Жизнь растения» (1878), «Чарльз Дарвин и его
учение» (1883), «Борьба растений с засухой» (1891), «Земледелие и
физиология растений» (1906) и дрТ?
Условно выделяют три этапа развития физиологии растений.
Первый этап — разработка основ корневого питания, второй этап —
разработка ' проблемы превращения энергии, третий этап —
современный период. Физиология растений сначала развивалась как
наука о почвенном питании.'
Для первого этапа характерен повышенный интерес к основам
почвенного корневого питания растений, эта проблема занимала
центральное место. Голландец Ван-Гельмонт (1579— 1644) ошибочно
считал воду единственным питательным веществом для растения
(водная теория питания растений).
А. Теер утверждал, что органическое вещество растения берут
непосредственно из почвы (гумусовая теория питания растений); Ю.
Либих доказывал необходимость полного возвращения в почву всех
элементов, в том числе кремния, кроме азота, вынесенных с урожаем.
По его мнению, азот в виде аммиака в достаточном количестве
содержится в воздухе. Ж. Бусенго, Г. Гельригель и М.’ С. Воронин в
середине прошлого века (1866 г.) показали роль бобовых в фиксации
азота. Русский ботаник М. С. Воронин в 1866 г. доказал образование
клубеньков на корнях бобовых из паренхимных тканей, наличие в
клубеньках клубеньковых бактерий. Огромный вклад в изучение
проблемы минерального питания внес Д. Н. Прянишников (1865—
1948), который всесторонне изучил азотный обмен и другие вопросы
минерального питания сельскохозяйственных растений. Дальнейшее
развитие учение о минеральном питании получило в работах Д. А.
Сабинина, Я. В. Пейве и др.
Второй этап — разработка проблемы превращения энергии. М. В.
Ломоносов (1711—1765) впервые высказал мысль, что растение
строит свое тело с помощью листьев за счет окружающей атмосферы.
В 1772—1782 гг. Д. Пристли, Я. Ингенхауз и Ж. Сене- бьё, дополняя
друг друга, открыли явление фотосинтеза, т. е. способность зеленых
растений усваивать СОг из воздуха с использованием солнечного
света. На экспериментальное изучение поставлена новая категория
явлений жизни - растений — проблема превращения энергии,
началось изучение фотосинтеза как энергетического процесса.(JC А.
Тимирязев доказал применимость закона сохранения энергии к
процессу фотосинтеза'.? Много сделали для развития этого
направления отечественные ученые В. И. Палладии, В. Н.
Любименко, Е. Ф. Вотчал, М. А. Монте- верде, Н. М. Гайдуков, А. А.
Красновский, А. Н. Теренин, А. А. Ничипорович, Т. Н. Годнев, А. Т.
Мокроносов и др.
Дыхание, энергетическая роль его свойственны всем живым
7
организмам. Первые исследования дыхания растений были проведены в конце XVIII в. (А. Лавуазье и др.). В раскрытии химизма
дыхания ведущая роль принадлежит русским ученым А. Н. Баху, В.
И. Палладину, С. П. Костычеву, немецкому ученому О. Варбургу,
американцу Д. Кейлину и др.
В XIX в. окончательно сложились основные разделы современной
физиологии растений: фотосинтез (Ж. Бусенго, Ю. Сакс, А. С.
Фаминцын, К. А. Тимирязев, М. С. Цвет, М. Ненцкий и Л.
Мархлевский, А. Н. Бах), дыхание (А. С. Фаминцын, Л. Пастер, А. Н.
Бах, Г. Э. Бертран), водный режим (Г. Дютроше, Г. Де Фриз, Ю. Сакс),
минеральное питание (Ю. Либих, Ж. Бу- сёнго, Г. Гельригель, И.
Кноп, С. Н. Виноградский, М. В. Бейе- ринк, Д. Н. Прянишников),
транспорт веществ (В. Пфеффер, Е. Ф. Вотчал), рост и развитие (Ю.
Сакс, А. С. Фаминцын, О. В. Баранецкий, А. Ф. Баталин, Н. Ф.
Леваковский, Г. Фехтинг, Г. Клебс), движение (Т. Найт, Ю. Сакс, Ч.
Дарвин, Ю. Визнер, В. А. Ротерт, В. Пфеффер), раздражимость (Б.
Сандерсон, Ч. Дарвин, Н. Ф. Леваковский), устойчивость растений (Д.
И. Ивановский, К. А. Тимирязев, Г. Молиш). Возникла эволюционная
физиология растений, устанавливающая приспособительный к внешним условиям характер функциональных особенностей растений (Ч.
Дарвин, К. Бернар, А. С. Фаминцын, К. А. Тимирязев).
В первой половине XX в. ведущим направлением физиологии
растений становится изучение биохимии дыхания (В. И. Палладия, Г.
Виланд, С. П. Костычев, О. Варбург, Д. Кейлин, Т. Тунберг, П Кребс,
А. Корнберг и др.) и фотосинтеза (Р. Вильштетер, К. Б. Ван-Ниль, К.
Хилл, М. Кальвин, Д. И. Арнон и др.), развиваются фитоэнзимология,
физиология растительной клетки и экологическая физиология
растений. Основоположником экологической физиологии растений
является Н. А. Максимов (1880—1952). Им и его учениками (И. И.
Туманов, Ф. Д. Сказкин, В. И. Разумов, Б. С. Мошков, Л. И.
Джапаридзе, В. Г. Александров, А. Ф. Клешнин, В. М. Леман, И. В.
Красовская и др.) выполнены классические работы по
морозоустойчивости, засухоустойчивости, росту и развитию,
светокультуре растений. Важнейшим событием явилось открытие
эндогенных регуляторов роста и развития растений — фитогормонов
(Д. Н. Нелюбов, Н. Г. Холодный, Ф. Вент, Ф. Кегль, И. Д. Куросава и
Т. Ябута, Ф. Скуг и др.), создание гормональной теории роста и
развития растений (Н. Г. Холодный. М. X. Чайлахян).
Для третьего этапа физиологии растений второй половины XX в.
характерны ее слияние, интеграция и взаимопроникновение с
биохимией и молекулярной биологией, биофизикой, цитологией,
анатомией и генетикой растений. Нынешний этап наряду с
углублением исследований на субклеточном и молекулярном уровнях
отличается
интересом
к
изучению
систем
регуляции,
обеспечивающих целостность растительного организма (А. Л.
Курсанов, М. X. Чайлахян, И. И. Гунар, В. В. Полевой, В. И. Кефели
и др.), а также дальнейшей разработкой теоретических проблем
физиологии, направленных на решение практических задач сельского
хозяйства. Большое внимание физиологи растений уделяют изучению
механизмов реализации наследственной ин(]юрмаций, роли мембран
в системах регуляции, механизмам действия фитогормонов,
электрофизиологии растений, адаптивных реакций растений к
стрессовым
воздействиям.
Развитию
этих
исследований
способствуют успехи в разработке и использовании методов
культуры органов, тканей и клеток, успехи новой науки —
биотехнологии (Р. Г. Бутенко, В. Е. Семененко, В. С. Шевелуха и др.).
В сельском хозяйстве все более широкое применение находят
достижения и идеи физиологии растений — теория минерального
питания и водного обмена, химические регуляторы роста растений,
гербициды и др. Характерной чертой развития физиологии растений
современного периода являются ее тесная связь с практикой, научным
земледелием и растениеводством, обоснование и разработка новых
приемов возделывания сельскохозяйственных культур, участие в
практической селекции сортов.
Биохимия растений как наука зародилась в России. В 1814 г.
академик Российской академии наук Г. К. Кирхгоф описал гидролиз
крахмала под действием прорастающих семян ячменя. Выдающийся
вклад в биохимию растений внесли русские ученые А. С. Фаминцын
(труд «Обмен веществ и превращения энергии в растениях», 1883), А.
Н. Бах, В. И. Палладии и С. П. Косты- чев (механизм спиртового
брожения и дыхания), Д. Н. Прянишников (превращение азота при
прорастании семян), Н. Н. Иванов и др. Под руководством академика
А. Н. Баха в России была создана техническая биохимия:
производство лимонной кислоты (С. П. Костычев, В. С. Буткевич),
производство чая (А. Л. Кур- санов), усовершенствованы виноделие
(А. И. Опарин), хлебопечение (В. Л. Кретович), ферментация табака
(А. И. Смирнов), получение витаминов из растительного сырья (В. Н.
Букин) и т. т. В настоящее время биохимия растений во многих
вопросах успешно интегрируется с физиологией растений.
Основные направления современной физиологии растений.
Базу отечественной физиологии растений и ее мировую славу в прошлом создали работы А. С. Фаминцына, К. А. Тимирязева, М. С.
Цвета, Н. А. Максимова, Т. Н. Годнева, Д. А. Сабинина, Д. Н.
Прянишникова, Н. Г. Холодного, В. Н. Любименко, А. Л. Курсанова.
Они заложили и основные направления этой науки. В современной
физиологии растений различают шесть принципиально важных
направлений (А. Л. Курсанов, 1973): биохимическое, биофизическое,
онтогенетическое, эволюционное, экологическое, синтетическое
(кибернетическое).
Биохимическое направление исследует функциональную роль
9
различных органических веществ, образующихся в растениях,
закономерности
минерального
питания,
пути
биосинтеза
органических соединений, роль минеральных веществ как регуляторов состояния клеточных коллоидов, биокатализаторов процессов метаболизма, центров электрических явлений в клетке.
Биофизическое направление исследует биофизические основы
физиологических функций и функциональных систем, вопросы
энергетики, электрофизиологии, физико-химические закономерности
фотосинтеза и дыхания, водного режима, корневого питания, роста и
развития, раздражения растений.
Онтогенетическое
направление
исследует
возрастные
закономерности развития растений, морфогенез, приемы управления
развитием растений (фотопериодизм, светокультура, закаливание
растений и др.).
Эволюционное
(сравнительное)
направление
исследует
физиологические особенности филогенеза конкретных видов, особей
растений, особенности онтогенеза растений при определенных
внешних условиях, изучает онтогенез как функцию генотипа и
внешних условий.
Экологическое направление исследует зависимость физиологических функций растений от экологических факторов среды,
участвует в разработке эффективных приемов управления ростом и
развитием растений в производственных условиях (оптимизация
условий минерального питания, водного режима, приемы повышения
белковости, сахаристости урожая, повышение устойчивости растений
к неблагоприятным внешним условиям и др.).
Синтетическое (кибернетическое) направление исследует общие
закономерности роста растений, энергетики и кинетики
взаимосвязанных физиологических процессов в системе целого
растения, разрабатывает способы регуляции и управления
процессами в биологических системах.
В дополнение к названным целесообразно выделить прикладное
(частная физиология) направление. Оно исследует физиологию
конкретных видов и сортов сельскохозяйственных культур с целью
совершенствования их агротехники, получения максимально
возможных и устойчивых урожаев, разрабатывает физиологические
паспорта и модели сортов основных сельскохозяйственных культур
применительно к региональным почвенно-климатическим условиям
страны, разрабатывает методы и приборы
диагностики
физиологического состояния и оценки устойчивости растений.
В биохимии растений также существуют различные направления:
аналитическое,
физиологическое,
прикладное,
генетическое,
молекулярное и квантовое. Большое будущее принадлежит
биохимической генетике.
Для фундаментальных исследований процессов жизнедеятельности растений все направления физиологии и биохимии растений
важны и взаимосвязаны. Теоретическая физиология растений и ее
влияние на практику будут развиваться по пяти основным
направлениям, объективно вытекающим из мировых тенденций
развития науки и практики (А. Т. Мокроносов, 1988).
Первое направление развития физиологии растений — организация, регуляция и интеграция функциональных систем в
растительном организме на разном уровне организации (от молекулярно-биологического до ценотического). На молекулярнобиологическом уровне это организация и экспрессия генома, его
регуляция, исследование мембранных структур и клеточных органелл, взаимодействие компартментов в клетках, исследование
потоков веществ, энергии и информации в различных системах
клетки. На надклеточном уровне — исследование плазмодесм и
других канализированных путей передачи сигнала, информации,
энергии в этих специализированных многоклеточных композициях.
На уровне целого растения — изучение систем дальнего транспорта,
донорно-акцепторных отношений, физиологии запасающих органов,
аттрагирующих систем. И наконец, исследования на уровне ценозов в
практических целях в связи с проблемами регуляции и оптимизации
природных и агросистем.
Второе направление развития физиологии растений — молекулярно-генетические и физиологические основы онтогенеза
растений. Проводятся исследования проблем организации, координации и кооперации всех геномов клетки — ядерного, пластидного,
митохондриального и даже вирусного, взаимодействие которых
обеспечивает рост, специализацию, морфогенез, развитие,
сексуализацию растительного организма в онтогенезе. Это
направление связано с ролью фитогормонов и других природных
регуляторов гормонально-ингибиторной природы в реализации
генетической программы онтогенеза растений, включает разработку
приемов вмешательства в процессы жизнедеятельности растений в
практических целях.
Третье направление развития физиологии растений — фотосинтез
и продукционный процесс. Исследуются принципы структурной
организации фотосинтетического аппарата как системы первичной
трансформации и запасания световой энергии; физиологогенетические и энергетические составляющие фотосинтетической
продуктивности в онтогенезе растения, ядерно- пластидные
генетические отношения, фотосинтетический метаболизм углерода и
азота, организация донорно-акцепторных систем фотосинтеза на
клеточном, субклеточном и организменном уровнях; оптимизация
фотосинтетической деятельности агрофитоценозов; разработка
принципов управления фотосинтетической продуктивностью и
11
продукционным процессом в биотехнологических, промышленных и
биорегенерационных системах, промышленная фитотроника,
создание высокоэффективных систем культуры растений в закрытом
грунте, где растение соединено с управляющей ЭВМ, создание систем
жизнеобеспечения для наземных и космических целей.
Четвертое направление развития физиологии растений — это
физиолого-биохимические и молекулярные основы устойчивости
растений к неблагоприятным условиям температуры, водного
режима, избытка солей, гипо- и аноксии, радиации, устойчивости к
биологическим патогенам и другим факторам. Проблема адаптации
растений к стрессовым условиям, иммунитета к биологическим
патогенам — ключевая для земледелия. Изучаются защитные
системы на клеточном структурно-метаболическом уровне,
включающие индукцию синтеза протекторных соединений,
сопряженность всех последовательных процессов, начиная с
восприятия сигнала клеточными рецепторами, индукции экспрессии
генома, синтеза адаптивных белков, изменения липидного и
белкового комплекса мембран, далее следуют морфоструктурные
изменения растений.
Пятое направление развития физиологии растений — фотосинтез
и продуктивность как фактор сбалансированности биосферных
процессов на земле исследует биосферные процессы, начиная от
состояния озонового экрана, включая процесс снижения гумуса в
почвах.
Помимо названных фундаментальных проблем развития физиологии растений эта наука решает значительный комплекс
практических задач в условиях природных экосистем (количественное исследование энерго-, массообмена, экология растений,
защита генофонда), в условиях полевого земледелия (неблагоприятное воздействие на экологическую среду, резкое ухудшение
качества растительной продукции — загрязнение нитратами и
нитритами, повышенный мутагенный фон, загрязнение среды
пестицидами и другие проблемы адаптивного земледелия), в условиях
фитотрона (проблемы промышленной фитотроники, реализация
биологического потенциала растения, методы оптимального поиска и
оптимизации среды с помощью специальных датчиков растений и
ЭВМ).
Особенно важны для нашей страны разработка научных основ
адаптивного земледелия, гарантирующего получение устойчивых
урожаев независимо от погодных условий, основ экологического
земледелия, создание энерго- и ресурсосберегающих технологий в
растениеводстве, обеспечение высокого качества растениеводческой
продукции. В решении этих вопросов большая роль принадлежит
физиологии и биохимии растений. Влияние физиологии растений на
селекционный процесс должно быть более эффективным.
Необходимо помнить слова академика Н. И. Вавилова о том, что
«генетика и селекция ждут от физиолога разработки частной
физиологии
отдельных
культур,
сортовой
физиологии,
физиологической систематики сортов. Создание такой «физиологической систематики» оплодотворит всю работу селекции и
упростит ее». Ставится задача вывести, интенсивные, отзывчивые на
высокий фон, имеющие комплексную устойчивость сорта и гибриды
сельскохозяйственных
культур,
создать
оптимальные
физиологические модели сортов для различных зон страны.
Реализация указанной программы исследований имеет большое
значение для ускорения научно-технического прогресса в
земледелии. Раскрывая зависимость биологических процессов,
происходящих в растениях, от условий внешней среды, физиология
растений создает теоретическую основу для системы приемов,
направленных на повышение продуктивности растений, улучшение
качества сельскохозяйственной продукции.
Методы физиологии растений и уровни исследований. Физиология растений — наука экспериментальная. Основной метод познания функций, процессов и явлений жизнедеятельности растений в
физиологии — эксперимент, опыт. Для изучения физикохимической,
биохимической и биологической сущности функций, процессов в
физиологии растений применяют лабораторно-аналитический,
вегетационный и полевой методы исследований, методы меченых
атомов, световой и электронной микроскопии, электрофореза,
хроматографического анализа, ультрафиолетовой и люминесцентной
микроскопии, спектрометрии, иммунологий, кристаллографии,
математики и кибернетики. Физиологические исследования проводят
в фитотронах и лабораториях искусственного климата, где растения
выращивают в контролируемых, заданных экспериментатором условиях (температура,
4
режим освещения, состав воздуха и др.).
Современная физиология растений все больше сближается с
физико-химической биологией. Вместе с тем она имеет специфические, свойственные только этой науке методы исследований:
методы водных и песчаных культур, биотестов, исследования
фотопериодизма, системы красный — дальний красный, культуры
клеток и тканей и др. Изолированная клетка — незаменимый объект
исследований фундаментальных основ физиологии растений, а также
клеточной
биотехнологии
и
биоинженерии
растений.
Господствующим принципом физиологических исследований
является принцип причинности, используются аналитический и
синтетический подходы в познании явлений жизни растения.
Физиологи разрабатывают математические модели физиологических
процессов, которые экспериментально проверяются. Многие
физиологи в работах применяют диалектический метод,
исторический подход к изучению функций растительного организма.
С помощью всех этих методов физиологи исследуют процессы
жизнедеятельности растений на различных уровнях организации,
начиная от молекулярно-биологического, биохимического и клеточного уровней и кончая биогеохимическим. На молекулярном
уровне изучают функции нуклеиновых кислот, белков и других
веществ, на клеточном и субклеточном — функции клеток и ее
органелл, на органном — функции листа, стебля, корня и т. д., на
организменном — функции целого интактного растения, на
популятивном — функции вида и сорта растений, на полевом
(ценотическом) — функции фито- и агрофитоценозов, на биогеохимическом — системы растение — почва и глобальные процессы
в биосфере Земли.
Глава 1
ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ
РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
•
1.1. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
1.1.1.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
И [Миллиарды лет эволюции привели к появлению на нашей планете
организмов, различия между которыми достигают колоссальных
размеров. В то же время у животных и растений, у мельчайших
бактерий и гигантского дерева-секвойи- есть общее свойство — все
они состоят из клеток. Более того, именно эта структурная единица
всего живого претерпела наименьшие изменения с момента ее
возникновения до наших дней. Совершенство внутренней структуры
обеспечивает выполнение клеткой практически всех функций
организма. Таким образом, клетка является не только его
структурной, но и функциональной единицей
Жйвая клетка состоит из тех же химических элементов, что и
неживая природа. Процессы, происходящие в клетке, подчиняются
общим законам физики и химии. Согласно первому закону
термодинамики энергия для клеточной работы не может создаваться
из ничего и исчезать бесследно. Как вся природа, клетка подчиняется
и второму закону термодинамики — в ней последовательно
возрастает энтропия и происходит «разупорядочение» структуры.
Однако в функционировании и самом существовании живых систем
есть уникальные особенности: по сравнению с неживыми
структурами скорость возрастания у них энтропии минимальная.
Можно сказать, что жизнь — это способность поддерживать
упорядоченное состояние в течение длительного времени. По мнению
американского ученого А. Ленинджера (1976), «клетка способна
сохранять прекрасную в своей сложности хрупкую структуру
благодаря непрерывному потреблению энергии; как только
поступление энергии прекращается, структура клетки распадается».
Другими словами, поддержание совершенной клеточной структуры
— энергозависимый процесс.
Главная особенность живых организмов заключается в том, что
они представляют собой открытые системы, которые обмениваются с
окружающей средой энергией, веществом и информацией (рис. 1).
Фотосинтезирующие клетки растений потребляют солнечную
энергию и превращают ее в химическую форму. Универсальной
Растительная клетка
Среда
Механическая
работа
Энергия солнца
Фотосинтез
АТФ
Биопотенциалы
Свет
БиохсмиБиосинтез
люминесценция веществ
Теплота
Вещество
—► Активный
транспорт 4 ч
веществ
Поглощение
Выделение
Дыхание
Биохимические структуры
Отходы
жизнедеятельности
Живые
структуры
I
Распад
Информация
Внешние
раздражители
Сигналы
Возбуждение
Сигналы
Изменение структур и функций
Рис. 1. Обмен растительной клетки со средой энергией, веществом и информацией (по Т. В. Карнауховой, 1991)
клеточной «валютой» служат молекулы АТФ, обеспечивающие
важнейшие процессы жизнедеятельности и прежде всего биосинтез
соединений, являющихся необходимыми компонентами структур и
участниками функций клетки — белков, липидов, углеводов,
нуклеиновых кислот и т. д. Часть энергии АТФ затрачивается на
механическую работу (например, движение цитоплазмы), другая часть
идет на активный транспорт веществ против физико-химических
градиентов. Большую роль играют в клетке механизмы,
обеспечивающие сигналы о быстрых изменениях окружающей среды.
При этом часть энергии АТФ превращается в электрическую
(биопотенциалы) или световую (биохемилюминесценция), которые
вновь высвобождаются в среду.
Образованные при фотосинтезе органические вещества участвуют в
другом важнейшем процессе — дыхании. Окислительный распад
дыхательных субстратов приводит к освобождению заключенной в них
энергии — часть ее вновь локализуется в универсальных аккумуляторах
— молекулах АТФ — и может затем использоваться по указанным
направлениям. Более половины энергии окисления превращается в
теплоту и в этой форме выделяется в окружающую среду. Таким
образом осуществляется обмен энергией между клеткой и средой.
Обмен веществом включает процесс поглощения из окружающей
среды диоксида углерода, воды, минеральных веществ, участвующих в
клетке в многочисленных биохимических реакциях. В результате этих
процессов клетка строит и поддерживает свои структуры, а продукты
распада и отходы жизнедеятельности выходят в окружающую среду,
где они подвергаются превращениям.
Обмен информацией начинается с восприятия клеткой сигналов от
внешних раздражителей. Возникающее в клетке возбуждение приводит
к изменению функциональной активности клетки. Сигналы о
происшедших переменах клетка посылает в окружающую среду.
Таким образом, способность жить, т. е. длительное время находиться в упорядоченном, энергетически насыщенном состоянии,
обусловливается постоянным обменом клетки и среды веществом,
энергией и информацией. Основные проявления жизни — обмен
веществ, рост и размножение — обеспечиваются стройной системой
структурно и функционально связанных элементов клетки.
1.1.2.
НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
К настоящему моменту структура растительной клетки достаточно
хорошо изучена. Это оказалось возможным благодаря современным
методам исследования и развитию техники. Рассмотрим кратко
некоторые способы изучения клетки.
В световом микроскопе наблюдаемый объект освещается относительно длинными волнами видимого света (400—700 нм), что не
позволяет получить увеличение более чем в 1000 раз. С середины XX в.
в биологии стали широко использовать электронный микроскоп, где
вместо светового луча применяется поток электронов, источником
которого является раскаленная металлическая нить в электрическом
поле. Благодаря этому разрешающая способность электронного
микроскопа превышает способность светового в десятки, сотни и
тысячи раз. Электронно-микроскопическая техника
требует
использования чрезвычайно тонких срезов (около 0,1 мкм). Прежде чем
сделать такой срез, объект необходимо фиксировать (например,
глутаровым альдегидом), контрастировать с помощью металла
(например, четырех- окисью осмия) и обезводить. Срез делают с
помощью алмазных или стеклянных ножей. Наиболее эффективным
считается метод замораживания—скалывания—травления, который
позволяет изучать глубокую внутреннюю структуру клеточных
образований (органелл, мембран). Суть его в том, что с быстро
замороженного жидким азотом объекта, сохраняющего свою
прижизненную структуру, охлажденным ножом под вакуумом
делаются сколы. Следующий этап работы — травление, т. е. возгонка
части воды; поверхность скола напыляют тонким слоем углерода, а
затем металла. Так получается реплика. Органические вещества клеток
растворяют в кислотах, а реплику исследуют с помощью электронного
микроскопа, получая фотографии тонкого строения объекта.
Для изучения химического состава и функций отдельных клеточных частиц с успехом применяется метод дифференциального
центрифугирования. Специальные приборы (гомогенизаторы) позволяют (при нейтральном pH, охлаждении, присутствии сахаров)
получить однородную клеточную массу — гомогенат. Последний
подвергается центрифугированию. При небольших ускорениях
оседают крупные клеточные частицы, при большей скорости
вращения — мелкие. Современные центрифуги позволяют очень
тонко дифференцировать структуры клетки. Так, при ускорении,
равном 1—3 тыс. g, выделяются ядра; увеличивая последовательно
ускорение, добиваются выхода хлоропластов, митохондрий и самых
легких компонентов — при 50 тыс. g оседают микросомы,
мембранные элементы. Электронно-микроскопический контроль
позволяет убедиться в чистоте полученной фракции, которая может
быть подвергнута дальнейшей очистке и химическому исследованию.
Заслуживают внимания и другие способы изучения клетки.
Микрохирургия позволяет оперировать с конкретным компонентом
клетки под микроскопом; цитохимические методы основаны на
применении красителей или реактивов, с помощью которых удается
определить размеры, внешнее и внутреннее строение органелл и
локализацию в клетке различных химических веществ.
1.1.3.
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ КОМПОНЕНТОВ КЛЕТКИ
। Основными частями любой клетки являются ядро и цитоплазма,
составляющие вместе протопласт. Однако в отличие от жи- , вотной
растительная клетка имеет особенности, связанные с I автотрофным
питанием и специфическим образом жизни. К ' числу таких отличий
относятся клеточная стенка, большая цент- i ральная вакуоль, пластиды,
плазмодесмы.
I Особое образование на поверхности протопласта, продукт его
деятельности — клеточная стенка. Под микроскопом в ней можно
обнаружить два компонента — более или менее однород-
Рис. 2. Ммкростроение клеточной стенки корешка гороха:
/ — участок плазмодесмы (по Ж.-К. Ролану и др., 1978)
ный рыхлый матрикс и прочную арматуру в нем (рис. 2). Расположение арматурных элементов имеет свои особенности: в ближней к
протопласту зоне оно отражает ориентацию специфических
клеточных элементов — микротрубочек, в более удаленных слоях
арматурные элементы располагаются хаотично.
‘Образование клеточной стенки начинается в метафазе клеточного
деления/В экваториальной зоне возникает срединная пластинка,
состоящая из пектата кальция, которая, нарастая от центра к периферии,
отделяет одну новообразованную клетку от другой?! Срединная
пластинка с той и другой стороны покрывается первичной клеточной
стенкой. Рост в толщину происходит за счет наложения новых слоев со
стороны содержимого каждой клетки (аппозиция). Рост в длину
начинается с разрыхления матрикса. В этом процессе важную роль
играют фитогормоны. В образовавшиеся полости поступают новые
порции материала, из которого строится клеточная стенка
(интусусцепция). Синтез и транспорт этих веществ осуществляются
главным образом вакуолями аппарата Гольджи.
{Основой химического состава клеточной стенки являются
полисахариды. Средний состав первичной клеточной стенки высших
растений таков: целлюлоза — 25 % от сухой массы, пектиновые
вещества — 30, гемицеллюлозы — 40, белки и другие вещества — 5 %.
■
Целлюлоза — основное вещество арматуры — представляет собой
высокомолекулярный полимер Р-глюкозы, молекулы которой
соединены между собой 1-4-гликозидными связями со степенью
полимеризации 8—12 тыс. Около 100 молекул целлюлозы
ассоциируются в мицеллы, мицеллы формируют «веревочки» —
микрофибриллы, а последние «канаты» — фибриллы.
Матрикс состоит из пектиновых веществ и гемицеллюлоз.
Пектиновые вещества — это главным образом полимеры галактуроновой кислоты. Особую роль в связывании этих молекул играет
кальций, взаимодействующий с их карбоксильными группами.
Гемицеллюлозы — сложные полимеры различных моносахаридов:
арабинозы, маннозы, ксилозы и др. Если пектиновые вещества придают
матриксу высокие гидрофильные свойства, то гемицеллюлозы,
связываясь с целлюлозными структурами, закрепляют их
специфическую организацию. В клеточной стенке присутствуют белки:
во-первых, это ферменты, участвующие в ее синтезе, во-вторых, белки,
защищающие клетку от инфекции путем разрушения оболочки и самой
клетки патогена (хитиназы, протеазы). Для клеточной оболочки
специфичен белок экстензии, богатый аминокислотой пролином?/
Некоторые клетки формируют вторичную клеточную стенку. Она
превосходит первичную по плотности и отличается по химическому
составу. В зависимости от функций клеток конкретных тканей
(проводящей, защитной, механической) доля целлюлозы может
возрастать до 60 % и более. Кроме того, во вторичной клеточной стенке
могут находиться вещества, усиливающие ее изолирующие свойства и
прочность, — лигнин, суберин, минеральные соли.
Химический состав и структура клеточной стенки определяют ее
важнейшие свойства — прочность, эластичность, высокую
гидрофильность. Функции клеточной стенки значительны и разнообразны.
Опорная, благодаря ей клетка поддерживает свою форму и размеры.
Защитная, препятствующая проникновению в протопласт частиц,
способных его повредить, а также патогенных микроорганизмов. .
Буферная по отношению к воде. В полисахаридной оболочке ।
может сосредоточиваться до 30 % ее содержания в клетке; при водном
дефиците она может использоваться протопластом.
Транспортная, осуществляющая диффузионное передвижение
гидрофильных веществ по насыщенному водой матриксу. Кроме
клеточных стенок в диффузионном движении воды и растворенных в
ней веществ участвуют межклетники. Клеточные стенки и межклетники
вместе образуют так называемое свободное пространство — апопласт,
составляющее 10—15 % объема растительной ткани. Часть этого
пространства способна адсорбировать различные ионы за счет
электростатических взаимодействий пос' ледних с компонентами
клеточных стенок. Этот объем называет' ся доннановским свободным
пространством. Адсорбция ионов кле- I точной стенкой облегчает их
дальнейшее движение в клетку.
В общей массе растения клеточным стенкам принадлежит основная
доля. Это отражается в химическом составе целого растения. Так, в
зрелом растении кукурузы углеводы составляют 83,3 % сухой массы,
белки — 8,7, липиды — 2,3, а зола — 5,7 %. I Углеводы клеточных
стенок служат ценным питательным веще- I ством для
сельскохозяйственных животных. Кроме того, целлюлоза является
важным сырьем для промышленной переработки. Доля целлюлозы в
клеточных стенках хозяйственно полезных растений различна, что и
определяет то или иное их использование. Так, в волосках коробочек
хлопчатника целлюлозы содержится 90 %, в древесине ее около 50 %.
Прочность, эластичность, энергетическая значимость позволяют
использовать это ценное вещество в производстве ткани, бумаги, спирта
и даже взрывчатых веществ.
Протопласты всех клеток растения связаны в единую целостную
систему — симпласт. Таким образом происходят взаимодействие
отдельных клеток и частей многоклеточного организма и
регулирование его жизнедеятельности. Межклеточные связи осуществляются через поры в клеточной стенке с помощью специфичных
для растений достаточно сложно устроенных цитоплазматических
образований — плазмодесм, Плазмодесма представляет собой канал
диаметром 40—50 нм, выстланный плазмалеммой, которая, переходя из
клетки в клетку, образует непрерывную внешнюю мембрану. В канале
имеется центральный стержень, окруженный десмотрубочкой, в свою
очередь, состоящей из нескольких трубчатых элементов. Вся полость
канала заполнена цитоплазмой (рис. 3). Со стороны каждой клетки к
плазмодесмам вплотную подходят (а иногда и входят внутрь) элементы
эндоплазматической сети, что обеспечивает еще более тесные контакты
между клетками. Число и размеры плазмодесм варьируют в
соответствии с типом ткани и ее функциональной нагрузкой. В
листовой пластинке пшеницы, где осуществляется транспорт ассимилятов, на 1 см2 поверхности приходится 2-108 плазмодесм. В
среднем площадь плазмодесм составляет от 0,02 до 8 % поверхности
клеток.
Плазмодесмы выполняют ряд важных функций, среди которых
главными можно считать следующие:
транспорт органических и минеральных веществ,
транспорт веществ-регуляторов (фитогормонов),
передача электрических сигналов.
Однако весьма тонкая и сложная структура плазмодесм позволяет
предположить возможность их участия в других пока не известных
процессах.
Прежде чем охарактеризовать отдельные составные части про-
Рис. 3. Схема электронно-микроскопического строения плазмодесмы вторичной древесины
ивы (по А. Л. Курсанову, 1976):
ЦС — центральный стержень; Дт — десмотрубочка; ЭР — эндоплазматический ретикулум; Пл —
плазмалемма; Пл' — плазмалемма в канале плазмодесмы; ВП — внутренняя полость плазмодесмы; КС
— клеточная стенка
Рис. 4. Схема строения молодой растительной клетки:
/ — ядро; 2 — ядрышко; 3— ядерная оболочка; 4— поры в я дер ной оболочке; 5— митохондрии; 6—
хлоропласты; 7—диктиосомы аппарата Гольджи; 8— вакуоли; 9— клеточная стенка; 10 — плазмолесмы;
11 — эндоплазматический ретикулум; 12— пл азмале мма; 13— лизо
сома
топласта, обратим внимание на общий план его строения . (РИС.-4).
.44 (Основой организации любой клетки являются мембраны. Эти u
пограничные структуры покрывают протопласт в целом (плазмалемма), окружают вакуоль (тонопласт), ограничивают все органеллы, за
исключением рибосом и микротрубочек. Мембраны обеспечивают в
клетке принцип компартментации — клетка оказывается поделенной
на зоны, каждая из которых играет свою роль в жизни клетки. В то же
время деятельность отдельных компартментов взаимосвязана и
интегрирована, и это тоже является функцией мембран. Большая часть
клеточных мембран генетически связана друг с другом, то есть
23
возникает друг от друга или служит продолжением друг другаЗ В то же
время такие органеллы, как хлоропласты и митохондрии, образуются в
клетке путем деления. Их мембраны, по-видимому, не связаны в своем
происхождении с другими.
Матрикс цитоплазмы — гиалоплазма, или цитозоль, — представляет
собой внутреннюю клеточную среду, где находятся все органеллы.
Гиалоплазма — относительно однородная коллоидная субстанция,
содержащая белки, липиды, нуклеиновые кислоты, полисахариды,
минеральные вещества. Ее важным свойством является способность
уплотняться и разжижаться (переходить из геля в золь и обратно), что
позволяет регулировать связь и функциональную активность отдельных
клеточных органелл в различных условиях среды.
Ядро растительной клетки (10—30 мкм в диаметре) окружено
оболочкой, представляющей двойную мембрану. В ядерной оболочке
имеются поры размером 10—20 нм, связывающие ядро с цитоплазмой
(рис. 4, поз. 4). Количество и диаметр пор непостоянны: они зависят от
функциональной активности ядра. В ядер- ном соке (нуклеоплазме)
присутствует хроматин — вещество, состоящее из белков, ДНК, РНК. В
нем сосредоточена наследственная информация. При делении клетки из
него формируются хромосомы, число и форма которых специфичны для
каждого вида. В нуклеоплазме присутствуют внутриядерные тельца
высокой плотности — одно или несколько ядрышек (рис. 4, поз. 2). Они
формируются в телофазе клеточного деления определенными
участками хромосом. Химический состав ядрышек: 80—85 % белков и
около 5 % РНК. Содержание последней зависит от степени активности
обмена веществ в клетке. В ядрышке происходят синтез рибосомальной
РНК и образование рибосом.
Функции ядра заключаются как в хранении и передаче наследственной информации, так и в регуляции всей жизнедеятельности
клетки. Это достигается главным образом путем последовательной
экспрессии и репрессии генов в процессе реализации наследственной
программы.
Ядерная оболочка в определенных местах дает начало мембранам
эндоплазматического ретикулума — ЭПР (рис. 4, поз. 11).
Ограниченные мембранами каналы (диаметр около 5 нм) пронизывают
всю цитоплазму, иногда расширяясь в небольшие вакуоли. ЭПР бывает
гладким и шероховатым. Шероховатость ЭПР зависит от того, что на
внешней стороне мембраны сосредоточены рибосомы. Функции этого
ЭПР: транспорт веществ и сигналов в клетке и между клетками (связь с
плазмодесмами); организация белоксинтезирующей системы; синтез
некоторых веществ для клеточной стенки. На гладком ЭПР рибосом
нет; его функции связывают с синтезом веществ липидной природы.
С мембранами ЭПР, а следовательно, и с ядерной мембраной
генетически связан аппарат Гольджи — АГ (рис. 4, поз. 7). В
паренхимной клетке кукурузы около 30 таких органелл. Число их в
клетках, выполняющих секреторные функции, возрастает до сотен. АГ
состоит из диктиосом (цистерн) й везикул (пузырьков, маленьких
вакуолек).
В
диктиосомах
происходит
синтез
веществ,
преимущественно полисахаридов, а также белков и липидов. Отделяющиеся от диктиосом секреторные пузырьки, богатые полисахаридами, транспортируются к плазмалемме, сливаются с ней, а
вещества углеводной природы используются для строительства
клеточной стенки. Таким образом, АГ играет двойную роль, участвуя
как в организации плазмалеммы, так и в образовании и росте клеточной
стенки.
Лизосомы (рис. 4, поз. 13) представляют собой пузырьки (0,2— 0,4
мкм в диаметре), окруженные мембраной, генетически связанной с
ЭПР. Их внутреннее содержимое богато гидролитическими
ферментами. Функции лизосом связаны с «перевариванием»
выполнивших свою роль компонентов клетки или запасных
питательных веществ. Наличие поверхностной мембраны ограничивает
разрушительную деятельность гидролаз. Возможно, автолиз
определенных участков цитоплазмы с помощью лизосом является также
необходимым элементом в формировании вакуолей растительных
клеток.
Пероксисомы — небольшие вакуоли (0,3—1,5 мкм) —также тесно
связаны с ЭПР. Они содержат окислительно-восстановительные
ферменты. Их роль в растении заключается в том, что они участвуют в
фотодыхании — процессе, в котором часть синтезированных при
фотосинтезе веществ при необходимости окисляется, что может
приводить к существенным потерям — до 30—40 % образованных
органических веществ.
Сферосомы также образуются из элементов ЭПР. Они представляют
собой пузырьки (100—150 нм в диаметре) и содержат большое
количество липидов и ферменты, связанные с синтезом и распадом
жиров. Особо важную роль играют сферосомы у масличных культур —
при прорастании семян в этих органеллах осуществляется активная
утилизация запасных жиров.
Самой большой частью системы, связанной с мембранами ядра и
ЭПР, является центральная вакуоль. Подобно клеточной стенке и
плазмодесмам, она специфически принадлежит только растительной
клетке. Образуется вакуоль за счет слияния расширенных участков
ЭПР; иногда в нее включаются и участки гиалоплазмы, которые
подвергаются ферментативной деградации. Образовавшийся объем
окружен мембраной Ч- тонопластом, регулирующим поступление и
выделение веществ. Центральная вакуоль взрослой растительной
клетки занимает 90 % объема последней и содержит почти 75 % всей
клеточной воды.
В вакуолярном соке содержатся различные вещества: сахара,
органические и аминокислоты, белки, ферменты, пигменты, другие
органические соединения, а также катионы и анионы минеральных
солей и кислот. Вакуоль выполняет в клетке важные функции. Прежде
всего она является осмотическим резервуаром: концентрация
клеточного сока создает необходимый градиент для поступления воды
в клетку. Таким образом, благодаря вакуоли клетка находится в
тургесцентном состоянии. Во-вторых, вакуоль играет экскрективную
роль. В ней накапливаются продукты обмена веществ, от которых
освобождается цитоплазма: полифенолы, алкалоиды, гликозиды. Один
из гликозидов, пигмент антоциан, придает красивую окраску цветам и
плодам, что обеспечивает нормальное опыление, оплодотворение и
распространение семян. Есть данные, что антоциан косвенно участвует
в энергетическом обмене в хлоропластах. Некоторые вещества,
взаимодействуя друг с другом, образуют в вакуолярном соке кристаллы
— таким способом откладывается щавелевокислый кальций.
Отработанные компоненты могут подвергаться в вакуоли лизису.
Специфические соединения из клеточного сока используют в
промышленности для производства табака (никотин), чая (танин,
катехин), лекарств (кофеин).
Третья важнейшая функция вакуоли — это то, что она служит депо,
в котором хранится резерв ценных питательных веществ; при
необходимости они могут быть израсходованы на нужды клетки.
Главным запасным веществом вакуолей являются растворимые сахара,
первое место среди которых занимает сахароза; из моносахаридов чаще
других встречаются глюкоза и фруктоза. Человек с успехом использует
эти запасы. С помощью селекции получены сорта овощных, плодовых
и ягодных культур с высоким содержанием ценных веществ в
хозяйственно полезных частях растений. Так, в клеточном соке
корнеплодов сахарной свеклы содержится 18—20 % сахаров, столовой
— около 10, моркови — 7 %. Ценные питательные и вкусовые качества
плодов и ягод связаны не только с сахарами, но и с органическими кислотами, растворенными в вакуолярном соке клеток, преимущественно
яблочной, лимонной, щавелевой, винной (табл. 1).
1. Содержание сахаров и органических кислот в продуктивной части плодовых и
овощных культур (по Б. П. Плешкову, 1984)
Растение, продуктивная часть
• Сахара
-
Капуст? белокочанная
Томат
Перец сладкий
4,0
3,0
6,0
1 Органические кислоты
% сырой массы
0,3
0,5
0,2
Продолжение
Растение, продуктивная часть
Огурец
Лук
Яблоки
Виноград
Земляника
Апельсин
Лимон
Сахара
| Органические кислоты
% сырой массы
1,5
10,5
9,0
18,0
18,0
7,0
2,5
0,005
0,2
0,7
1,4
2,0
1,4
5,8
В вакуолях могут накапливаться и белки. Их поступление в вакуоль,
очевидно, связано с деятельностью АГ и ЭПР. Образованные этими
органеллами мембранные пузырьки могут встраиваться в тонопласт,
поставляя свое содержимое в вакуоль. Обезвоженные вакуоли в семенах
представляют собой алейроновые зерна, состоящие из запасных белков.
В период прорастания семян эти вещества вакуолей вновь оводняются;
использование белков осуществляется с помощью ферментов.
Важнейшие в функциональном отношении органеллы — митохондрии и хлоропласты (рис. 4, поз. 5, 6) — имеют общие особенности.
И те и другие снаружи покрыты двойной мембраной. Внешняя имеет
строение и свойства, сходные с таковыми поверхностных мембран
других органелл, в то время как внутренняя сильно отличается от
последних как по строению, так и по функциям. Особенностью этой
мембраны является способность образовывать впячивания в полость
органеллы, увеличивая тем самым полезную поверхность, на которой
происходят важнейшие процессы, связанные с синтезом энергетической
«валюты» — молекул АТФ. Хлоропласты и митохондрии возникают
вследствие деления имеющихся в клетке органелл или их
предшественников. Как в митохондриях, так и -в хлоропластах
содержится наследственный материал, отличный от ядерного, —
кольцевая молекула ДНК, напоминающая таковую прокариот, а также
РНК и рибосомы. Заложенная в ДНК информация реализуется в синтезе
специфичных для хлоропластов и митохондрий белков, хотя большая
часть белкового компонента кодируется ядром клетки. Вследствие
этого хлоропласты и митохондрии называют полуавтономными
органеллами.
Существует
теория
об
эндосимбиотическом
происхождении митохондрий и хлоропластов путем вступления
организмов типа бактерий в симбиоз с эукариотической клеткой на
определенном этапе развития природы. Подробная характеристика
хлоропластов и митохондрий дана в главах 2 и 3.
Хлоропласты являются лишь одной из форм пластид — клеточных
органелл, свойственных растениям. Кроме хлоропластов к пластидам
относятся лейкопласты и хромопласты. Все они имеют общее
происхождение: образуются из маленьких (0,4— 1,0 мкм) бесцветных
инициальных частиц — пропластид, которые обнаруживаются в
меристематических клетках; увеличение их числа происходит за счет
деления. Пропластиды имеют достаточно плотное содержимое,
27
ограниченное двойной мембраной. В темноте из них образуются
лейкопласты — пластиды со слаборазвитыми внутренними
мембранами, выполняющие функцию накопления крахмала или других
запасных веществ. На свету в пропластидах происходит мощное
развитие внутренних мембран, в которые включается зеленый пигмент
хлорофилл, — так возникают хлоропласты.
Хромопласты, как правило, образуются из хлоропластов и отличаются от последних главным образом набором пигментов — в них
преимущественно содержатся желтые каротиноиды, которые не
встроены в мембраны, а находятся непосредственно в матриксе в виде
капель или кристаллов. Значение хромопластов главным образом
связано с окраской плодов. В эстетическом восприятии человека
хромопласты играют не последнюю роль: вспомним золотую осень,
красные грозди рябин, аппетитные плоды томата, перца и т. д.
Далее остановимся на органеллах, не имеющих мембранной
природы.
Важнейшую функцию в клетке выполняют рибосомы: в них
происходит заключительный этап биосинтеза белков — трансляция.
Как уже известно, рибосомы образуются в ядре (точнее, в ядрышке), а
затем через поры ядерной оболочки выходят в цитоплазму. Они состоят
из белка и рибосомальной РНК (примерно по 50 % того и другого).
Рибосомы — очень маленькие частицы (20—30 нм), образованные из
двух субъединиц, которые характеризуются с помощью коэффициента
седиментации (S) — скорости осаждения при центрифугировании. В
цитоплазме растительных клеток присутствуют 805 рибосомы,
состоящие из 405 и 605 субъединиц. Рибосомы хлоропластов — 705,
митохондрий — 70— 805. В рабочем состоянии субъединицы рибосом
ассоциируются друг с другом, что происходит только в присутствии
ионов магния.
Рибосомы могут находиться непосредственно в гиалоплазме или
ассоциироваться с мембраной ЭПР. В синтезе одного белка, как
правило, принимают участие несколько рибосом (полисо- мы),
объединенные одной молекулой информационной (матричной) РНК.
Это способствует более высокой активности белкового синтеза.
Интересна и еще до конца не выяснена роль в растительной клетке
микротрубочек. Они представляют собой тонкие длинные полые
цилиндры с внутренним диаметром около 15 нм. Стенки этих трубочек
состоят из глобулярных белков — тубулинов. Сборка и разборка
микротрубочек происходят в цитоплазме постоянно. При делении
клетки микротрубочки формируют нить веретена. Сеть микротрубочек
образует в гиалоплазме своеобразные канальца. Аналогия в
расположении арматурных элементов клеточной стенки и близко
расположенных микротрубочек предполагает участие последних в
формировании структуры клеточной стенки.
Другие фибриллярные образования гиалоплазмы — микрофиламенты, имеющие в основе сократительный белок типа актина, —
обеспечивают движение цитоплазмы и ее органелл внутри клетки.
Рассмотрим кратко изменение структуры растительной клетки при
действии патогенных микроорганизмов. Учитывая огромный ущерб,
который болезни растений наносят сельскому хозяйству, агроном
должен четко представлять, что происходит в растительном организме
на всех уровнях его организации при заболева- «ии. Знание ответных
реакций на действие патогена поможет правильно оценить степень
заболевания, своевременно применить нужные агротехнические меры
и, наконец, выявить иммунные формы, сорта и индивидуальные
растения, необходимые при селекции на устойчивость к болезням.
Влияние инфекции на клеточные структуры значительно и
разнообразно. Однако клетка устойчивого организма способна
преодолевать пагубное действие инфекции, выздоравливать, и это
выражается в сохранении и новообразовании клеточных структур и
восстановлении их функций. В таблице 2 дается представление о
типичных изменениях в клетках иммунных и неиммунных форм
растений при действии инфекции.
2. Действие инфекции на структуры и свойства клетки
Структура, свойство клетки
|
Неиммунные формы
Сильно возрастает
Проницаемость цитоплазмы
Гидрофильность цитоУменьшается
плазмы
Ядро
Уменьшается в размерах
Пластиды
Митохондрии
Рибосомы
Набухают, внутренние
мембранные структуры
разрушаются
Набуосают, кристы исчезают
Новых нет
Иммунные формы
Изменяется мало
Слабо меняется
Сначала уменьшается, затем
увеличивается
Структура сохраняется
Структура сохраняется
Новообразуются
В заключение важно подчеркнуть следующее.
1. Живая клетка представляет собой целостную открытую систему,
обменивающуюся с окружающей средой веществом, энергией и
информацией.
2. Основой структуры клетки являются биологические мембраны,
осуществляющие компартментацию и взаимодействие ее отдельных
частей.
3. Все функции, обеспечивающие жизнь, выполняются за счет
взаимосвязанной работы ядра, цитоплазмы и клеточных органелл.
4. По сравнению с клеткой животных растительная клетка имеет ряд
оригинальных структур — полисахаридную клеточную стенку,
большую центральную вакуоль, пластиды, плазмодесмы; все это
обеспечивает автотрофный тип питания и свойственный растениям
специфический образ жизни.
1.2. ПРИРОДА И ФУНКЦИИ ОСНОВНЫХ ХИМИЧЕСКИХ
КОМПОНЕНТОВ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
1.2.1.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
Сравнивая химический состав клеток самых разных организмов,
нельзя не обратить внимания на строгий отбор, который осуществила
природа при создании живой материи. Конкуренция между
организмами началась лишь после конкуренции между молекулами. Из
100 известных химических элементов в составе живых клеток
постоянно обнаруживается чуть более 20, а обязательными для
выполнения жизненных функций можно считать всего 16. В то же время
с помощью этого ограниченного набора элементов построено огромное
множество разнообразных веществ. Так, одних только белков у
маленькой бактерии Escherichia coli 3 тыс., а у человека их 5 млн.
Очевидно, что в процессе отбора выделились именно те элементы,
которые оказались способными создать соединения с наиболее
важными биологическими свойствами.
Большую часть массы живых клеток составляет вода (около 80 %).
Воду не зря называют матрицей жизни — она обеспечивает
прижизненную структуру макромолекул и клеточных органелл,
участвует в химических реакциях, транспортных процессах и
терморегуляции, поддерживает форму и размеры клетки. О
соотношении органических веществ дает представление анализ
цитоплазмы клеток листьев капусты: белки составляют 63,11 % сухой
массы, липиды — 20,75, другие органические вещества — 9,69, а зола
— 6,46 % сухой массы. Химический состав активно функционирующих
растительных клеток весьма сходен (табл. 3).
3. Средний химический состав цитоплазмы и органелл растительной клетки, %
Часть клетки
Белки
Липиды
Нуклеиновые
кислоты
Цитоплазма в целом
Ядро
Хлоропласта
Митохондрии
60-70
70
60-70
55-60
15-20
8
20—25
25-35
5
20
1-3
1-3
Оставшаяся доля в сухом веществе цитоплазмы принадлежит другим
органическим веществам — углеводам, пигментам и пр., а также
минеральному компоненту (около 5 %). В клетках, выполняющих
сугубо специфические функции, химический состав несколько иной.
Это касается, например, клеток семян или других продуктивных частей
растений, где хранятся запасные вещества, ради которых и возделывают
сельскохозяйственные культуры. Так, в составе клеток семени пшеницы
содержится 78 % углеводов, 16 — белков, 2 — жиров и 2 % золы.
Таким образом, белки, липиды и нуклеиновые кислоты служат
химической основой жизненных процессов. Постараемся выяснить,
каким образом состав, структура и свойства этих молекул позволяют им
выполнять важнейшие биологические функции.
1.2.2.
БЕЛКИ И ИХ ФУНКЦИИ В КЛЕТКЕ
Белки представляют собой полимеры, то есть вещества, состоящие
из небольших, сходных по свойствам молекул, связанных друг с другом
ковалентными связями. Биологическая роль полимеров велика. Это
объясняется, по крайней мере, двумя причинами. Во- первых,
объединение мономеров в одну молекулу многократно усиливает их
свойства. Во-вторых, образующаяся полимерная цепочка укладывается
в пространстве в оригинальные структуры, специфичность которых
обусловливает их конкретные функции в клетке. Существуют гомо- и
гетерополимеры. У веществ первой группы все мономеры идентичны —
к таковым относится, например, целлюлоза, мономером которой
является р-глюкоза, и важнейший запасной полисахарид крахмал
(мономер — а-глюкоза). Наибольшую ценность в биологическом
отношении представляют гетерополимеры, в молекулы которых
объединяются мономеры, обладающие некоторыми общими
свойствами, но не идентичные Друг другу. К гетерополимерам
относятся нуклеиновые кислоты (4 разных мономера) и белки; в состав
последних могут входить до 20 различных аминокислот.
Аминокислоты, образующие белки, называются протеиногенными.
Протеиногенные аминокислоты. Молекула каждой аминокислоты
имеет две части: неспецифическую (—СН—СООН), общую
специфический для каждой радикал (R):
NH2
для
всех,
и
R—СН—СООН
bkh
Неспецифическая часть придает всем аминокислотам общие
амфотерные свойства — они способны диссоциировать и как кислоты,
и как основания.
R—CH—СООН
R—CH—COO +Н кислотная диссоциация
31
I
I
NH2
NK2
+н2о|| -н2о
R—СН—СООН + ОН основная диссоциация.
I + ын3
Вследствие этого в водной среде аминокислоты всегда несут и
положительный, и отрицательный заряды. Преобладающий заряд
зависит от pH среды: кислая среда стимулирует основную диссоциацию, в результате которой амфолит приобретает положительный
заряд; в щелочной среде — обратная картина: степень кислотной
диссоциации больше, чем основной, и амфолит заряжается
преимущественно отрицательно. При определенном значении pH
степень кислотной и основной диссоциации уравнивается и
аминокислота становится электронейтральной.
Это значение pH называется изоэлектрической точкой (ИЭТ).
Заряженность аминокислот, а следовательно, и белков является важным
условием ассоциирования их с другими молекулами и интегрирования
в различные клеточные структуры.
Специфический радикал аминокислот придает им самые разнообразные свойства, которые обогащают структурные и функциональные возможности белков.
По природе радикала протеиногенные аминокислоты можно
разделить на несколько групп.
1. Алифатические (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин).
СНз-СН-СООН
NH2
ала ии н
Специфический радикал этих аминокислот имеет углеводородную
природу и придает им гидрофобные свойства.
2.
Оксиаминокислоты (серин, треонин).
сн-сн-соон он кн2
серин
Группа ОН обеспечивает их гидрофильность.
3. Серосодержащие (цистеин, метионин).
Сульфгидрильные группы двух молекул цистеина могут окисляться
с образованием дисульфидных мостиков (—S—S—), которые играют
важную роль в стабилизации третичной структуры белка
сн2-сн-соон сн2-сн-соон
II
SH NH2 -2Н S NH2
SH NH2 +2Н A NH2
II
,11
/II
сн2-сн-соон / CH2-CH-COOH
цистеин
'
дисульфидный
мостик
цистин
4. Моноаминодикарбоновые (аспарагиновая, глутаминовая) —
кислые.
СООН-СН2—сн-соон
I
NH2
аспарагиновая кислота
Вторая карбоксильная группа придает этим аминокислотам
высокую химическую активность, гидрофильность, дополнительный
отрицательный заряд.
5. Диаминомонокарбоновые (лизин, аргинин) — основные.
Благодаря дополнительной аминогруппе эти аминокислоты
представляют собой депо азота в клетке.
СН2-СН2-СН2-СН2-СН-СООН
NH2
NH2
ЛИЗИН
Величина ИЭТ белков отражает соотношение в них основных и
кислых аминокислот. Если ИЭТ имеет низкое значение — белок богат
кислыми аминокислотами; высокое значение ИЭТ говорит о
существенном содержании основных аминокислот.
Для определения ИЭТ используют цитохимический метод,
основанный на взаимодействии амфолита с основными и кислыми
красителями.
Установлено, что ИЭТ цитоплазмы растительных клеток лежит в
кислой зоне pH. Следовательно, белки цитоплазмы содержат много
дикарбоновых аминокислот. ИЭТ ядра имеет более высокое значение,
так как в ядерных белках содержится много основных аминокислот.
Удалось также выяснить, что значение
ИЭТ может характеризовать функциональную активность клетки. Как
правило, активные периоды в жизни растений (молодой возраст, выход
из состояния покоя, подготовка к образованию репродуктивных
органов) сопровождаются «подкислением» цитоплазмы — ИЭТ
снижается.
Динамика ИЭТ цитоплазмы у озимых в период подготовки к зиме
позволяет различить зимостойкие и слабозимостойкие сорта.
Последние характеризуются быстрым прохождением этапов
органогенеза, возобновлением роста в периоды зимнего потепления, что
влечет за собой их гибель. У таких сортов снижение ИЭТ (до 2,8—3,0)
происходит быстро, уже к середине второго этапа органогенеза, i
6. Ароматические аминокислоты (фенилаланин, тирозин).
сн
нс^ ^с- сн2-сн-соон
НСЧ- /СН
сн
NH2
фенилаланин
Ароматическая группировка определяет гидрофобность
соединений.
7. Гетероциклические (триптофан, гистидин).
нс/Ссн
этих
нс'-с- с- сн2-сн-соон
I Н II
I
NH2
II
нн
триптофан
Эти аминокислоты также имеют в себе большой запас азота.
8. Иминокислоты (пролин, оксипролин).
н,с — сн,
II'
Н2С-ч-сн-соон
пролИИ
При образовании циклической структуры из линейной исчет зает
группа NH2 и возникает иминная группа NH.
Таким образом, 20 различных аминокислот, участвуя в образовании
белков, придают им разнообразные и противоречивые свойства —
гидрофильность и гидрофобность, заряжен ность и нейтральность,
кислотность и основность, способность окисляться и
восстанавливаться. Учитывая, что в молекуле белка могут соединяться
от 50 до нескольких сотен мономеров, так что их свойства
многократно умножаются, можно понять, какими огромными
функциональными возможностями обладают эти уникальные
соединения.
Несколько слов о питательной ценности аминокислот, входящих в
состав белков. С этой точки зрения их можно разделить на две группы
— заменимые и незаменимые. Последние не способны синтезироваться
в организме человека и животных. К ним относят валин, лейцин,
изолейцин, треонин, метионин, лизин, аргинин, фенилаланин,
триптофан, гистидин. Наличие достаточного количества этих
аминокислот в пищевой и кормовой продукции значительно повышает
ее качество (табл. 4).
4. Состав белков различных семян (г на 100 г белка) (по Б. Йиргенсонсу, 1965)
Аминокислота
Глицин
Серин
Валин
Метионин
Пролин
Триптофан
Гистидин
Лизин
Глутаминовая
Глиадин
пшеницы
Зеин
кукурузы | Аминокислота
1.0
4,8
2,6
1.6
13,2
0,0
•2,3
1,2
47,0
0,0
7,8
3,0
2.8
10,5
0,0
1,7
0,0
27,0
Глиадин
пшеницы
Зеин
кукурузы
2,0
2.1
5.1
2,5
6,3
3,3
2,7
3,6
11,5
3,0
7.4
1,0
6,5
5,3
1,8
5,7
Аланин
Треонин
Лейцин
Цистеин
Фенилаланин
Тирозин
Аргинин
Аспарагиновая
Особенно ценны незаменимые аминокислоты, содержащие много
азота, — лизин, аргинин, триптофан. Ученые всего мира работают над
проблемой селекции зерновых культур с высоким содержанием лизина
в белках. Особенно остро эта проблема стоит в отношении кукурузы, в
семенах которой меньше белков, чем у других зерновых; к тому же эти
белки содержат мало лизина и триптофана. Тридцать лет назад был
открыт мутантный ген опейк-2, ответственный за содержание лизина в
зерне кукурузы. Его успешно используют в селекции. Однако проблема
в том, что увеличение содержания лизина сопровождается, как правило,
снижением урожайности. Тем не менее удалось выделить несколько
гибридов, где оптимально сочетаются урожайность зерна и его
белковые качества: Краснодарский 18 ВЛ дает до 7 т/га зерна с
содержанием белка около 10 % и лизина 0,398 % (против стандартных
значений 8,81 и 0,272 % соответственно).
Структура белков. Отдельные аминокислоты соединяются друг с
другом в молекуле белка с помощью пептидной связи:
СН3—СН—СООН + H2N-CH-CH2OH —-
I
NH2
I
СООН
аланин
серин
пептидная связь
— CH3-CH-|-CO-NH-|-CH-CH2OH +Н2О
I
I■
NH2 СООН
дипептид аланилсерин
Так создается первичная структура белка, которая определяется:
природой входящих в молекулу аминокислот;
относительным количеством каждой аминокислоты;
строго определенной аминокислотной последовательностью
полипептидной цепи.
Природу и количество аминокислот устанавливают, расщепляя
белок с помощью кислотного гидролиза и затем анализируя эту смесь.
Последовательность аминокислот определяют путем ступенчатого
отщепления аминокислот с помощью ферментов. Именно
аминокислотный состав и их последовательность обусловливают не
только химические свойства, но и высшие уровни структуры каждой
молекулы.
Реально белок никогда не существует в виде линейной структуры. В
полипептидной цепи вокруг связей, соединяющих a-углеродные атомы,
происходит свободное вращение, в то время как вращение вокруг оси
С—N (более жесткая пептидная связь) затруднено. В результате этого
аминокислотная цепь закручивается в правую спираль, так называемую
a-структуру [рис. 5 (я)[. Каждый виток ее составляет 3,6
аминокислотного остатка. Таким образом возникает вторичная
структура. Она стабилизируется слабыми водородными связями:
каждая карбонильная группа СО пептидной связи взаимодействует с
группой NH, входящей в четвертую от СО пептидную связь.
Только в тех местах, где присутствует пролин, а-спираль имеет
характерные изгибы, так как в пептидных связях, образованных этой
аминокислотой, отсутствует водород (СО—N) и в этих местах
водородная связь образоваться не может. В образовании вторичной
структуры принимают участие все карбонильные и аминные группы.
Это определяет однообразность, неспе- цифичность a-спирали самых
разных белков, a-спираль наиболее характерна для глобулярных белков.
Вторичная структура
Рис. 5. Вторичная структура белка:
л — «спираль, б — складчатая структура (по Р Бохинскн. I9S7)
может быть и другого, складчатого типа (0-структура). В этом случае
межмолекулярные водородные связи возникают между двумя или
большим числом параллельных цепей [рис. 5 (б)]. Так образуются
главным образом фибриллярные белки.
Специфическая деятельность разнообразных белков в живой клетке
осуществляется ими лишь в состоянии нативной (прижизненной)
структуры, которая является трехмерной — третичной или
четвертичной.
Для
ее
расшифровки
используют
метод
рентгеноструктурного анализа. Впервые третичную структуру белка
миоглобина определили английские ученые Дж. Кендрью и М. Ф.
Перутц в 1960 г. Они образно представили эту структуру как «толстую
колбасу, чрезвычайно причудливо скрученную» [рис. 6 (Л)].
Наличие в белковой молекуле множества разнообразных боковых
цепей, стремящихся к взаимодействию друг с другом, определяет
оригинальную укладку спирали в пространстве. Боль
37
шую роль в организации этих структур играют дисульфидные мостики
между остатками цистеина (—S—S—). В стабилизации складок,
поворотов, изгибов глобулярного белка принимают участие слабые
связи следующих типов: ионные (NH$ ...COO ), водородные (OH...NH2),
гидрофобные
(СН3...СН3).
Энергия
некоторых
связей,
стабилизирующих структуры белка, представлена ниже.
Тип связей
Ковалентные
кДж/моль
кДж/молъ
Водородные
21
420
294
Ионные
Гидрофобные
21
0,8-6,3
-СН2-СН2-OC-NH-S-S-
Тип связей
336
Гидрофобные группировки локализуются в основном внутри
глобулы, вдали от гидрофильной среды; полярные группы сосредоточены снаружи, что определяет растворимость многих белков в
воде.
Наиболее сложные и специфические функции в клетке выполняются
белками, имеющими четвертичную структуру [рис. 6 (Ь)[. Несколько
глобул, субъединиц или олигомеров, агрегируются за счет тех слабых
связей, о которых уже говорилось при рассмотрении структур белков
более низкой организации — водородных, ионных, гидрофобных (вандер-ваальсовых). Преимущество четвертичной структуры прежде всего
в том, что сочетание нескольких одинаковых олигомерных молекул
значительно повышает интенсивность осуществляемого ими процесса.
С другой стороны, объединение различных по свойствам субъединиц
позволяет возникшему комплексу осуществлять гораздо более сложные
интегрированные реакции. Наконец, на уровне четвертичной структуры
облегчается регуляция активности белка
Рис. 6. Третичная и четвертичная структуры белка: А
— глобула; Б — ассоциация субъединиц
за счет некоторых изменений
взаиморасположения отдельных
глобул. Кроме того, замена
каждой отдельной субъединицы
тнонеры
при ее повреждении обходится Олигонвр
клетке дешевле, чем синтез
заново большой полипептидной
цепи,
обладающей
всеми
Частичное разворачивание
свойствами четвертичного белка. Глобула
Нативная
конформация
глобулярного белка обладает
высокой лабильностью
(по- Глобула
Полное разворачивание
движностью) вследствие участия
3
в ее поддержании слабых связей.
Под
влиянием
внешних Рис. 7. Обратимая денатурация белков (по
Р. Бохински, 1987):
воздействий (температуры, pH,
/ — биологическая активность; 2—полная или
механического усилия) структура
частичная потеря активности; 3 — активность
глобулы может меняться. Эти
отсутствует
изменения
не
затрагивают
аминокислотной
последовательности. Потеря нативной конформации может быть временной
или окончательной (обратимая и необратимая денатурация) (рис. 7).
Итак, уникальный по разнообразию состав, оригинальная структура,
поддерживаемая слабыми связями, определяют главные общие
свойства белков:
высокую химическую активность;
тонкую специфичность в выполнении жизненных функций;
лабильность, то есть способность обратимо изменять свою
структуру, приспосабливаясь к меняющимся условиям внешней среды.
Функции белков в клетке. Выдающиеся свойства белков позволяют им участвовать практически во всех аспектах деятельности
клетки. Основные их функции следующие.
Структурная. Нам уже известно, что более половины сухой массы
цитоплазмы и ее органелл принадлежит белкам. Основа строения
клетки — биологические мембраны — наполовину построены из
белков.
Ферментативная. Все биологические катализаторы химических
реакций в клетке являются белками. (Подробно о ферментах рассказано
в следующем разделе.)
Транспортная. Некоторые белки, находящиеся в клеточных
мембранах, участвуют в транспорте веществ, не способных
растворяться в мембранном матриксе. Участие белков в передвижении
частиц — молекул, ионов — через мембрану может осуществляться
следующими способами (рис. 8):
1) белки — челночные переносчики; транспортный белок на-
4Q
Рис. 8. Переносчики веществ через мембрану: а —
челнок; б — канал
ходится в мембране; ему присущи важные особенности — способность
специфически связывать переносимый элемент и структурная
подвижность, позволяющая ему изменять свое положение в толще
мембраны. Соединяясь с молекулой или ионом на одной из
поверхностей мембраны, он меняет свое положение так, что
переносимая частица оказывается на другой поверхности. Осуществив
перенос, белок, как челнок, вновь занимает первоначальное положение
{рис. 8 (п){;
2) белки — организаторы в мембране специальных участков —
каналов, по которым способны двигаться гидрофильные вещества,
минующие таким образом гидрофобный матрикс [рис. 8 (6)].
Запасная. Белок представляет собой высоковосстановлен- ное
соединение с большим запасом энергии. При окислении 1 г белка
освобождается 23 кДж энергии. Для сравнения приведем калорийность
других веществ, также откладывающихся в запас в растительных
клетках: глюкоза—15,5 кДж/г, крахмал — 17,6, жир — 38,2 кДж/г.
Высокое качество белка как питательного материала обусловлено и
тем, что в отличие от других запасных веществ в его молекуле имеется
азот. При прорастании семян запасные белки распадаются на
аминокислоты, из которых строятся новые белки, необходимые для
роста и развития молодого организма. От содержания белка в
сельскохозяйственной продукции во многом зависит ее кормовое
значение. Так, вегетативная масса бобовых, являющаяся прекрасным
кормом для скота, содержит в 3—5 раз больше азота, чем солома злаков.
Иммунная (защитная). Известно, что роль белков в защите растений
от инфекции велика и разнообразна. Различные по иммунным
свойствам объекты отличаются как по количеству и качеству белков,
имеющихся в здоровом организме, так и по тем изменениям, которые
происходят в белковом спектре после заражения. Большая питательная
ценность белков отчасти объясняет тот факт, что часто растения,
имеющие большое количество белкового азота, лучше противостоят
заболеваниям. Например,
при хранении сельскохозяйственной продукции потери у таких сортов
ниже, чем у тех, которые содержат меньше белка (табл. 5).
5. Распределение форм азота (% общего азота) в листьях хранящихся кочанов
капусты (по Б. А. Рубину, Е. В. Арциховской,
В. А. Аксеновой, 1975)
Сорт
Амагер (устойчивый
к Botiytis cinerea)
Номер первый (неустойчивый)
Дата
| Белковый азот
Аминный азот
03.12
13.04
03.12
13.04
47,0
37,5
39,4
10,2
32,7
42,3
39,0
58,3
В качественном отношении белки устойчивых форм часто имеют в
своем составе много аминокислот, плохо переносимых тем или иным
патогеном. Например, фитофтора «не любит» белки с большим
содержанием аргинина. В то же время легко заболевающие антракнозом
сорта винограда отличаются повышенным содержанием аспарагина по
сравнению с устойчивыми. Интересно, что не только состав, но и
структура белков устойчивых и не устойчивых к инфекции форм
различна. Ученый Д. В. Липсиц обнаружил в клетках картофеля,
устойчивого к раку, белки с необыкновенно плотной, жесткой глобулой.
Наиболее активно противостоят инфекции так называемые антиферменты, способные ингибировать ферменты паразита: из семян
злаков выделены ингибиторы а-амилаз грибов; ферменты глюконазы,
хитиназы вызывают мацерацию мицелия многих грибов-паразитов.
Чрезвычайно интересны белки-лектины, обладающие агглютинирующими, склеивающими свойствами по отношению к многим
веществам углеводной природы, в том числе гликопротеинам
патогенных грибов и бактерий. Эти белки находятся на поверхности
клеточной мембраны и даже проникают в клеточную стенку. Они очень
специфичны в отношении различных видов инфекции: в листьях яблони
есть белки, «узнающие» даже отдельные штаммы бактерий. Лектины
специфически связывают патогенные бактерии, образуя при этом как
бы тромб, предотвращающий дальнейшее распространение болезни.
Известна способность белков из зародышей пшеницы, специфичных к
олигомерам хитина, связывать споры и кончики гиф Zygo-, Asco-,
Basidiomycetes. Лектины из бобов сои и арахиса специфически
связывают Penicillium и Aspergillus, препятствуя растяжению их
мицелия.
С момента заражения в клетках растений начинается синтез новых
иммунных белков. Об этом говорят опыты по включению в белки
зараженных растений капусты и огурца меченой по углероду (14С)
аминокислоты лейцина по сравнению с контрольными, незаряженными
растениями (табл. 6).
6. Включение 14С-лейцина в белки здоровых и зараженных растений (по Б. А.
Рубину, Е. В. Арциховской и В. А. Аксеновой, 1975)
41
Растение
Сорт, устойчивость
Капуста, зараженная
Botiytis cinerea
Огурцы, зараженные
Erysiplie cochoracearum
Включение |4С-лейцина, % от
незараженных растений
Амагер, устойчивый
Номер первый, неустойчивый
Дальневосточный, устойчивый
Неросимый, неустойчивый
I40
Н4
I31
86
Из таблицы 6 видно, что интенсивность новообразования белков в
ответ на инфекцию соответствует степени устойчивости сорта.
Происхождение этих новых белков может быть связано с экспрессией
соответствующих генов в ответ на действие патогена.
Роль белков трудно переоценить и в «реакции сверхчувствительности». Эта реакция состоит в том, что при инфицировании
определенного участка растительной ткани в нем начинаются процессы
некроза. Ведущую роль при этом играют белки-ферменты хозяина.
Продукты распада отравляют клетки патогена; деструктивные
изменения в клетках предотвращают распространение инфекции. Ценой
потери определенного объема своей ткани растительный организм
избавляется от патогена, выздоравливает и сохраняется.
Набор белков, ответственных за иммунные свойства, изменяется в
процессе эволюции организмов. Это происходит в ответ на появление у
патогенов новых белков, причиняющих вред растению. Таким образом,
происходит параллельное развитие свойств вирулентности у патогена и
устойчивости у растения, обусловленных главным образом спецификой
их белков.
1.2.3. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ФЕРМЕНТОВ
В основе всех функций организма лежат химические реакции. В
живой клетке их скорость регулируется ферментами — биологическими
катализаторами. В результате многочисленных исследований в 30-е
годы стало известно, что все ферменты являются белками. За последние
50 лет удалось открыть более 2500 ферментов; многие из них выделены
в кристаллическом виде.
Принцип действия ферментов основан на их способности временно
связываться с субстратами, участвующими в реакции. По окончании
реакции фермент освобождается из комплекса с
субстратом и может вновь взаимодействовать со следующей его
молекулой.
Любая химическая реакция происходит потому, что некоторая часть
молекул какого-нибудь вещества обладает большей энергией, чем
другие, то есть находится в активированном состоянии. Только эти
молекулы могут вступать в реакцию. Энергией активации называют
такое количество энергии, которое необходимо затратить на то, чтобы
привести все молекулы 1 моль вещества в активированное состояние.
Увеличить скорость реакции можно путем внесения извне какого-то
количества энергии, например, путем нагревания. Это позволяет
молекулам двигаться быстрее, чаще сталкиваться и легче преодолевать
энергетический барьер. Ферменты действуют иначе. Они не привносят
дополнительной энергии. В комплексе с субстратом фермент как бы
изменяет путь химической реакции, направляя ее по энергетически
более выгодному руслу, тем самым снижая уровень энергии активации
(рис. 9). Это достигается за счет поляризации связей, смещения
электронной плотности в молекулах субстрата. Кроме того,
реагирующие молекулы ориентируются по отношению друг к другу так,
что их взаимодействие становится более эффективным.
Главные качества белков обеспечивают следующие основные
свойства ферментов:
чрезвычайно высокую активность по сравнению с катализаторами
другой природы. Для примера возьмем реакцию разложения перекиси
водорода на кислород и воду. С помощью 1 моль ионов железа в
качестве катализатора за 1 мин разлагается 10 3 моль Н2О2; 1 моль
фермента каталазы в тех же условиях за то же время разлагает 105 моль
перекиси водорода. Большинство реакций в клетке осуществляется с
участием ферментов в 1 млн и более раз быстрее, чем без них;
очень высокую специфичность в отношении субстратов реак ций.
Специфичность ферментов может проявляться на разных уровнях,
начиная с абсоSr
лютной, когда фермент способен
катализировать всего лишь
§
одну-единственную реакцию, a
S
иногда лишь реакцию только с
§
одним стереоизомером. Причина столь
тонкой специфичности заключается в
строгой ’
упорядоченности
структуры
белка, связывающего опреде9. Энергия Ход
активации реакции
ленным своим участком лишь Рис.
взаимодействия двух
веществ (/1 и В) с
реакции
один конкретный ' субстрат. ферментом ( -------------) и без фермента
( ------ )
Относительная
специфичность
выражается
в
способности
ферментов
катализировать
однотипные реакции с несколькими структурно подобными
субстратами. Это обусловлено главным образом определенной
конформационной, подвижностью белка.
—"Специфичность ферментов лежит в основе их международной
классификации. Самыми крупными группами ферментов являются
классы.
Оксидоредуктазы. Они осуществляют окисление и восстановление
субстратов; принимают активнейшее участие в фотосинтезе, дыхании,
энергетическом обмене.
Трансферазы. Эти ферменты катализируют перенос отдельных
групп между молекулами. Очень важную роль играют фосфокиназы,
переносящие остатки фосфорной кислоты от энергетической «валюты»
— молекул АТФ, что необходимо для активации жизненных процессов:
синтезов, активного транспорта ионов, направленного потока
ассимилятов и др.
Гидролазы. Участвуют в расщеплении сложных веществ (углеводов,
жиров, белков) до простых с участием воды. Играют огромную роль при
мобилизации запасных питательных веществ в процессе прорастания
семян. Могут действовать и в обратном направлении, синтезируя
сложные вещества из их компонентов.
Лиазы. Отщепляют от субстратов определенные группы без участия
воды с образованием двойной связи. Могут действовать и в
противоположном направлении — присоединять группу к двойной
связи. В качестве примера приведем один из важных ферментов
углеводного обмена — альдолазу. В процессе дыхания с его помощью
происходит расщепление глюкозы на две триозы, что облегчает
окисление дыхательного субстрата. При фотосинтезе этот же фермент
соединяет две триозы с образованием гексозы.
Изомеразы. Осуществляют изомеризацию — перенос отдельных
групп внутри одной молекулы. Важную роль играют, например, в
углеводном обмене, превращая кетосахара в альдегидные формы и
обратно.
Синтетазы. Эти ферменты участвуют в синтезах, требующих затрат
энергии. С их помощью образуются амиды — аспарагин и глутамин —
из соответствующих аминокислот путем присоединения к ним аммиака;
большую роль играют синтетазы в биосинтезе белка, других
энергетически значимых веществ.1
Активность фермента прежде всего связана с его структурой. По
строению все ферменты делятся на две группы — однокомпонентные и
двухкомпонентные. Ферменты первой группы состоят только из одного
компонента — белка; в его молекуле имеется активный центр,
вступающий в химическое взаимодействие с субстратом.
Однокомпонентными
ферментами
являются
гидролазы.
Двухкомпонентные состоят из двух частей — белковой (апофермент) и
небелковой (простетическая группа, кофермент).
Специфичность фермента по отношению к конкретному субстрату
связана с белковой частью, а непосредственный механизм реакции
осуществляется с участием простатической группы (кофермента).
Природа коферментов весьма разнообразна. Многие из них
представляют собой витамины.
Витамины — относительно низкомолекулярные вещества различной
химической природы, совершенно необходимые для нормального
функционирования любого живого организма в очень малых
количествах. Витамины подразделяют на жирорастворимые (A, D, Е, К)
и водорастворимые (Вц Вз, Вб, В13, РР, С, липоевая и пантотеновая
кислоты). Уникальные функции витаминов определяются тем, что они,
как правило, являются коферментами основных каталитических белков
или непосредственно участвуют в важнейших биохимических реакциях.
Так, витамин С (аскорбиновая кислота) необходим для осуществления
окислительно-восстановительных процессов. Роль этого витамина
многократно возрастает при заболеваниях растения, животного,
человека, когда возникает необходимость активно окислять ядовитые
продукты — результаты воздействия патогена на живой организм. К
сожалению, человек (как и обезьяна, и морская свинка) не способен
самостоятельно синтезировать аскорбиновую кислоту.
Главными источниками витаминов для человека служат растительные продукты — зеленые части, зародыши растений, а также
дрожжи и микроорганизмы. Из животных объектов богаты витаминами
внутренние органы — печень, почки, сердце. В таблице 7 представлены
некоторые органические соединения, выступающие в качестве
простатических групп ферментов, многие из которых являются
витаминами, специфическое значение которых связано с их
ферментативной функцией. О других витаминах будет сказано при
рассмотрении соответствующих функций растительного организма.
7. Простетмческме группы некоторых ферментов
Химическая природа
|
Витамин
—
Ароматические — кофермент
Q (убихинон) HS-соединения:
пантотеновая кислота
Пантотеновая кислота
Липоевая кислота
липоевая кислота
Гетероциклические:
цитохромы
•—
тиаминпи рофосфат
В|
пиридоксаль юсфат
Вб
Нуклеотиды:
ни коти нами ладен и
РР
н- динуклеотид (НАД)
| Ферментативная функция
Перенос атомов водорода
Перенос ацильных групп
То же
Перенос электронов
Декарбоксилирование
Перенос аминогрупп
Перенос атомов водорода
Продолжение
Химическая природа
|
никотинамидаденин- ди
нуклеотидфосфат (НАДФ)
флавинаденинди нуклеотид
(ФАД)
флавинмононуклеотид
(ФМН)
Витамин
| Ферментативная функция
РР
То же
в2
»
в2
»
Ферментативная активность во многом зависит от неорганических
кофакторов, прежде всего ионов металлов, роль которых проявляется
различным образом. Некоторые из них поддерживают нативную
структуру белка (кальций, магний). Другие, осуществляют связь
фермента с субстратом (например, марганец в фосфорилазах). Наконец,
такие, как железо, медь, молибден, цинк, марганец, непосредственно
участвуют в реакции, перенося электроны. Эти ионы являются
микроэлементами. Они абсолютно необходимы растению из-за
обязательного участия в работе ферментов, хотя требуются в
чрезвычайно малых количествах. Их отсутствие нарушает важнейшие
функции растительного организма. Так, без молибдена, участвующего
в работе нитратредуктазы — ключевого фермента азотного обмена, —
невозможно включение в метаболизм нитратной формы азота. Агроном
должен знать потребности сельскохозяйственных культур в
.микроэлементах и своевременно обеспечивать ими растение.
Кинетика (скорость) ферментативной реакции. Сущность ферментативной реакции сводится к тому, что фермент (энзим — Е)
связывается с субстратом (5) с образованием фермент-субстрат- ного
комплекса (ES), который затем распадается с образованием продукта
(или продуктов) реакции (Р) и свободного фермента (£):
Е + 5 —- Е + Р.
Кинетические параметры ферментативной реакции, отражающие
механизм действия фермента, были изучены Л. Михаэлисом и М.
Ментен (1913). Зависимость скорости ферментативной реакции от
концентрации субстрата (при постоянном количестве фермента) может
быть выражена графически (рис. 10). С увеличением количества
субстрата (5) скорость реакции (V) растет, так как все большее число
молекул фермента взаимодействует с молекулами субстрата,
осуществляя катализ. Когда все молекулы фермента вовлечены в
реакцию, дальнейшее повышение концентрации субстрата уже не будет
влиять на скорость ферментативной реакции; лимитирующим фактором
в такой ситуации
является уже не субстрат, а
фермент. Таким образом, скорость реакции достигает максимального значения (Итах) при
определенной
концентрации
субстрата ([5]). Концентрация
субстрата, при которой скорость
реакции
равна
половине
максимальной, носит название
константы Михаэлиса 0WЗная максимальную скорость
реакции и величину константы
Михаэлиса, можно рассчитать
скорость
ферментативной
реакции
при
данной
концентрации субстрата, испол
хаэлиса—Ментен:
Рис. 10. Кинетика ферментативной реакции
упрощенное уравнение Ми-
гл__ Е'тах [5]
" А'ш+И’
где V — скорость реакции; Ких — максимальная скорость реакции; Кт — константа
Михаэлиса; [S] — концентрация субстрата.
Итах и Ет являются важными кинетическими характеристиками
фермента. Максимальная скорость отражает эффективность действия
фермента в стандартных условиях. Ее можно выразить числом
оборотов, то есть количеством молей субстрата, реагирующих с 1 моль
фермента за единицу времени (1 мин). Одним из наиболее эффективно
действующих ферментов является, например, карбоангидраза,
разлагающая угольную кислоту на диоксид углерода и воду и
обеспечивающая диоксидом углерода первичные реакции темновой
фазы фотосинтеза: 1 моль этого фермента катализирует превращение
36106 моль субстрата в 1 мин.
Константа Михаэлиса характеризует степень сродства фермента к
субстрату. Чем меньшее количество субстрата необходимо для
связывания половины имеющегося фермента (ниже Кт), тем больше
сродство фермента к этому субстрату. Причиной различной
специфичности фермента к субстратам может быть более или менее
эффективное связывание в фермент-субстрат- ном комплексе (ES), а
также различное по эффективности превращение комплекса Е в
продукты реакции.
Сродство фермента к субстрату имеет решающее значение в
осуществлении различных физиологических функций. Для примера
обратимся к фотосинтезу. Известно, что высокая продуктивность
некоторых сельскохозяйственных растений (сорго, кукуруза, просо,
сахарный тростник) во многом определяется особым типом фотосинтеза
(так называемый кооперативный фотосинтез). Ключевым ферментом
47
связывания диоксида углерода у этих растений является
фосфоенолпируваткарбоксилаза (ФЕПК). У большинства других
растений (пшеница, рожь, картофель) эту функцию выполняет другой
фермент — рибулозобисфосфаткар- боксилаза (РБФК). Константа
Михаэлиса в реакции связывания СОз у ФЕПК значительно ниже, чем
у РБФК. Таким образом, одной из причин более эффективного усвоения
СОз высокопродуктивными растениями является большее сродство
ключевого фермента к субстрату.
На скорость ферментативной реакции в значительной степени
влияют внешние факторы. Зависимость скорости реакции от
температуры выражается одновершинной кривой. В ее восходящей
части при повышении температуры на 10 °C скорость ферментативной
реакции увеличивается в 1,4—2,0 раза (Сю = 1.4 — 2,0), что объясняется
возрастанием
кинетической
энергии
молекул.
Оптимум
ферментативной реакции in vitro приходится на 55—60 °C (в живых
организмах значительно ниже), после чего начинается быстрый спад,
связанный
с
денатурационными
изменениями,
нарушением
специфичности и снижением активности фермента.
Большинство ферментов (хотя и не все) проявляют максимальную
активность в близкой к нейтральной или слабокислой среде
(характерной для цитоплазмы растительных клеток). Снижение или
повышение pH вызывает сдвиг в диссоциации групп, участвующих в
стабилизации нативной структуры. Нарушение электростатических
взаимодействий приводит к изменению конформации фермента и
потере каталитических свойств.
Регуляция ферментативной деятельности. Одним из важнейших
различий живых и неживых систем является способность первых к
саморегуляции. Поскольку в основе жизнедеятельности лежит
ферментативная активность, особое значение приобретает познание
принципов ее регуляции.
Существуют два основных пути регуляции ферментативной
деятельности в клетке. Первый осуществляется за счет новообразования
белковых молекул, второй — за счет активации или ингибирования
деятельности уже имеющихся в клетке ферментов. Первый способ
требует более длительного времени и больших энергетических затрат
(«грубая настройка»), второй происходит чрезвычайно бь/стро («тонкая
настройка»). Образование новых белков связано с экспрессией
соответствующих генов. В результате этого, с одной стороны, может
регулироваться количество молекул ферментов, уже работающих в
клетке; с другой — могут появляться белки с новыми ферментативными
функциями. В частности, это могут быть ферменты, необходимые для
борьбы с проникшей в организм инфекцией, или так называемые белки
теплового шока, возникающие в ответ на быстрое повышение
температуры. На уровне синтеза регулируется соотношение в клетке
изоферментов — молекулярных форм, отличающихся некоторыми
химическими или структурными особенностями, выполняющих одну и
ту же функцию, но с разной эффективностью. Соотношение этих форм
влияет на активность данной реакции.
Регуляция активности может происходить следующими способами.
1. Конкурентное ингибирование. Этот тип регуляции состоит в том,
что к одному и тому же активному центру ферментативного белка
способен присоединиться не только субстрат реакции, но и структурно
подобный ему ингибитор. Эти молекулы конкурируют друг с другом за
активный центр: при снижении концентрации субстрата все большее
число молекул фермента связывается с ингибитором, и скорость
реакции снижается. Ускорить реакцию можно, увеличив количество
субстрата, молекулы которого при этом будут вытеснять ингибитор, —
реакция пойдет быстрее. Классическим примером конкурентного
ингибитора является малоновая кислота в одной из реакций цикла
Кребса — окислении янтарной кислоты ферментом сукцинатдегидрогеназой до фумаровой.
сн2соон I ‘
СН2СОО
Н
сукцинат
СИ соон
х
-Z— и
I -2Н СН СООН
СН2СООН фумарат
I
СООН
малонат
По этому типу действуют сульфамидные препараты, ингибируя
жизненно
важные
для
болезнетворных
микроорганизмов
ферментативные реакции. В качестве конкурентного ингибитора может
выступать и сам продукт реакции. В этом случае «перепроизводство»
вещества прекращает его образование. После его частичного
расходования реакция вновь активизируется.
2. Аллостерическая (неконкурентная) регуляция. Аллостерический
(«алло» — разный) фермент имеет в белковой структуре несколько
центров, с одним из которых связывается субстрат, а к другим могут
присоединяться ингибиторы или активаторы реакции. Присоединение
регулятора приводит к изменению конформации белка, что отражается
на активности фермент-субстратного комплекса (рис. 11). В качестве
регуляторов, действующих в' аллостерических центрах, могут
выступать различные органические молекулы — продукты обмена,
физио-
49
Активное состояние Неактивное состояние
Малоактивный, комплекс
Рис. 11. Аллостерическая регуляция ферментативной активности (по Я. Мусил и др., 1981)
логически активные вещества. В частности, один из фитогормонов
(стимуляторов роста) — цитокинин — является, по-видимо- му,
активатором РНК-полимеразы, что в конечном итоге приводит к
усилению синтеза белка. Некоторые ингибиторы, вступая во
взаимодействие с аллостерическим центром, необратимо изменяют
конформацию белка и полностью выводят фермент из строя. На этом
основано терапевтическое действие пенициллина, который выключает
один из ферментов, необходимых бактериям для образования клеточной
стенки. Наконец, возможно ковалентное взаимодействие фермента с
какими-либо химическими группами (например, фосфорилирование),
что приводит к превращению неактивной или слабоактивной формы в
интенсивно действующую.
Направленность и последовательность действия ферментов в
осуществлении какой-либо функции достигается их специфической
локализацией в клетке и образованием мулътиферментных комплексов,
осуществляющих одну многостадийную реакцию:
Е\ Еэ Ез
A—B—C~D.
Начальный субстрат А с помощью последовательно действующих
ферментов Е\, Е} и £3 превращается через промежуточные продукты В
и С в конечный — D, который непосредственно участвует в конкретной
функции. Ферменты объединены в комплекс не только функционально,
но и структурно: они локализуются в цитоплазме близко друг к другу,
что обеспечивает сопряженность и экономичность их действия.
Большую роль в организации мультиферментных комплексов
играют органеллы, а также мембраны, способствующие упорядочению
ферментных белков. В связи с этим даже незначительные изменения в
структуре мембран серьезно влияют на функциональное состояние
клетки. Особенно чутко реагируют на состояние мембран митохондрий
и хлоропластов наиболее энергетически важные процессы, связанные с
синтезом АТФ и осуществляющиеся сложными, многоступенчатыми
мультиферментными комплексами. При резких, быстрых колебаниях
внешних условий ферменты могут утратить связь с мембранами. Их
свободное положение в цитозоле часто приводит к противоположному
эффекту. Так, резкое иссушающее действие суховея, вызывающее так
называемые запалы, захваты, приводит к делокализации ферментов и
стимулирует реакции гидролиза (вместо синтеза). Это приводит к
образованию щуплого зерна.
1.2.4. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ФУНКЦИИ
В образном выражении, что белки все могут, но ничего не знают, а
нуклеиновые кислоты все знают, но ничего не могут, заключен
глубокий смысл. Действительно, как уже известно, гетерополи мерное
строение и специфическая лабильная структура позволяют белкам
участвовать практически во всех жизненных функциях. Что же касается
нуклеиновых кислот, то именно эти молекулы содержат и реализуют
информацию о всех белках в клетке.
Как и белки, нуклеиновые кислоты (НК) представляют гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеотид
состоит из азотистого основания, связанного с ним пятиуглеродного
сахара и остатка ортофосфорной кислоты (Р). В НК
С-1
присутствуют азотистые основания двух типов — производные пурина
(пуриновые) и производные пиримидина (пиримидиновые). К
пуриновым основаниям относятся аденин (А), гуанин (Г), к
пиримидиновым — цитозин (Ц), урацил (У) и тимин (Т).
цитозин урацил тимин
Каждый нуклеотид получает название по входящему в него
азотистому основанию, например адениловая кислота (или аденозинмонофосфат — АМФ): аденин — рибоза — Р.
АМФ может фосфорилироваться с образованием аденозиндифосфата — АДФ (аденин—рибоза—Р ~ Р); фосфорилирование
последнего приводит к образованию аденозинтрифосфата (АТФ):
NH2
С N I II СН аденин
ООО N
НО-Р—О~Р-О~Р-О-СН2
I I I |/°\
ОН ОН ОН С Н Н с
|г„Л-''| рибоза
фосфатные остатки у у
ОН ОН
АТФ
При гидролитическом отщеплении остатка фосфорной кислоты от
АМФ высвобождается 12,6 кДж, гидролиз же второй или третьей
фосфатной связи в АТФ дает около 33,6 кДж. Универсальным
энергетическим аккумулятором в клетке является АТФ. Присоединение
остатка фосфорной кислоты к АДФ с использованием энергии
окисления (при дыхании) или света (при фотосинтезе) представляет
«зарядку». Отщепление фосфата от АТФ с образованием АДФ
сопровождается выходом энергии — «разрядка»:
АДФ + Фнеорг + энергия -> АТФ + НгО — «зарядка»;
АТФ + Н2О -> АДФ + Фнеорг + энергия — «разрядка».
Энергия макроэргической связи АТФ расходуется в клетке на самые
разные виды работ.
Не только АТФ, но и другие трифосфатнуклеотиды (ГТФ, ЦТФ,
УТФ, ТТФ) являются макроэргическими соединениями, способными
при гидролизе концевой фосфатной связи освобождать большое
количество энергии.
При образовании НК нуклеотиды соединяются друг с другом с
помощью фосфорно-эфирной связи, возникающей между остатком
фосфорной кислоты у пятого атома рибозы или дезоксирибозы и
гидроксилом третьего атома сахара следующего нуклеотида:
з'
А - о о о_о_о_Р Г - о о о_о_о_=-Р Ц-оо оооР У - о о (Too - Р
о о о о о - рибоза
Образующаяся полинуклеотидная цепочка
5'
имеет два конца — 5', где расположена
несвязанная фосфатная группа, и 3', у которой находится свободная
группа ОН при третьем атоме пентозы.
НК подразделяют на рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). Их состав различен. В РНК входят нуклеотиды с
А, Г, Ц, У, сахар — рибоза. ДНК содержит А, Г, Ц, Т, сахар —
дезоксирибоза.
Последовательность
нуклеотидов
определяет
первичную структуру НК.
Как и белки, НК имеют сложную специфическую структуру, в
основе которой лежит принцип комплементарное™. Комплементарность проявляется в том, что азотистые основания взаимодействуют друг с другом посредством образования водородных
связей строго попарно — А с Т или У, а Г с Ц. Между комплементарными основаниями возникают две или три водородные связи (
................ ):
А::::: Т (У)
Г ::::: Ц
В 1953 г. американским ученым Д. Уотсоном и англичанином Ф.
Криком было сделано открытие века — описана трехмерная структура
ядерной ДНК. Она представляет собой двойную спираль: две
правозакрученные спирали переплетены друг с другом, при этом 3' —
конец одной из них соответствует 5' — концу другой. Структура
двойной спирали стабилизируется водородными связями между
комплементарными нуклеотидами. Молекула ДНК хлоропластов и
митохондрий (как и ДНК прокариот) замкнута в кольцо.
В интерфазе клеточного деления ДНК входит в состав особого
ядерного вещества — хроматина, в котором также присутствуют белки
— основные (гистоны) и неосновные, а также небольшое количество
РНК и липидов. Основой структуры хроматина являются нуклеосомы,
которые представляют собой белковые диски из 8 молекул гистонов, по
окружности которых намотана часть ДНК (140 пар оснований).
Нуклеосомы соединяются участками ДНК (линкерами), состоящими
приблизительно из 60 нуклеотидных пар (рис. 12). Нуклеосомная
укладка ДНК способствует ее компактизации, степень которой
увеличивается в митотическом ядре. В период митоза хроматин
формирует хромосомы, число и форма которых являются важнейшим
критерием вида. При образовании хромосомы 8—10 нуклеосом
объединяются в виде глобул. В дальнейшем уплотненная таким образом
структура образует петли. Сближаясь между собой, они формируют
толстые (0,1—0,2 мкм) хромосомные нити (хромонемы), которые, в
свою очередь, образуют видимые в микроскоп хромосомы. Все это
обеспечивает концентрацию в небольшом ядре огромного количества
наследственной информации, а также облегчает абсолютно точное ее
распределение между дочерними клетками.
Структура молекул РНК достаточно разнообразна, что связано с
многообразием их функций. Так, матричная (информационная) РНК
представляет собой одинарную спираль, для транспортной РНК
характерно сочетание одинарных и спаренных участков, рибосомальная
РНК имеет более сложную структуру- .
Функции РНК. Все функции НК обеспечиваются принципами
комплементарности и матричного воспроизводства. Роль ДНК состоит в хранении, передаче и реализации на- i
следственной
информации.
\
___ Наследственная информация определяется
[Ст
последовательностью нуклеотидов в молекуле
1
ДНК. Отдельный участок ДНК, содержащий определенную
нуклеотидную последователь- f
ность, отвечает за синтез одного
белка и назыIJ
вается геном. Каждые три нуклеотида в этой
Г”
последовательности (триплет) определяют
—2 одну аминокислоту в данном белке. Код ДНК универсален
практически для всех организмов и является вырожденным: одна и та
же аминокислота может определяться несколькими три- f плетами.
Совокупность всех генов в ДНК соI
ставляет генотип организма. Важнейшим усло
вием передачи потенциальных возможностей от
родителей к детям является удвоение молеРис. 12. Схема строения нуклеосомы (по Ю. С. Ченцову,
1984):
1 — молекула ДНК; 2— октомер гистонов; 3— линкер
кулы ДНК (репликация), происходящее в
интерфазе клеточного деления. Под действием
фермента ДНК-полимеразы двойная спираль
постепенно раскручивается, и на каждой из
освободившихся от взаимодействия нитей
строится вторая, комплементарная ей нить —
при этом восстанавливаются водородные связи
между комплементарными основаниями (рис.
13). Вместо одной молекулы ДНК в клетке
образуются две идентичные двойные спирали. В
результате митоза каждая молекула попадает в
одну из новообразованных клеток. Таким
образом, все клетки одного организма имеют
одинаковый набор генов и потому являются тотипотентными.
Тотипотентность
успешно
используют в биотехнологии.
Культивируя на определенных
средах, при различной комбинации фитогормонов и других
факторов изолированные клетки
или ткани, можно добиться их
развития и регенерации целого
растения, обладающего генотипом
исходного организма. Культуру
клеток и тканей современная
биотехнология
использует
в
сельскохозяйственных
и
промышленных целях, в частности
для получения из
группы незаряженных клеток рис. 13.
репликация
ДНК
апекса
обеззараженного
поса-
Старая
цепь
Старая Новая
цепь цепь
Старая
цепь
Новая
цепь
(по Д. Уотсону, 1969)
Старая
цепь
дочного материала (земляника,
картофель). Выращивание большой массы недифференцированной
ткани (каллус), клетки которой содержат ценные вещества, позволяет
эффективно применять их в парфюмерии, медицине (женьшень,
наперстянка).
Клеточные культуры используют также в целях селекции на важные
хозяйственные признаки. Во Всероссийском институте кормов успешно
работают над проблемой повышения устойчивости к засолению
люцерны, клевера и других растений с помощью отбора групп клеток из
суспензионной культуры, подвергающейся засолению, и последующего
получения из них устойчивых регенерантов.
Методы современной генетики и молекулярной биологии позволяют
не только обнаружить наличие в геноме растения генов, ответственных
за хозяйственно полезные признаки (качество белка, устойчивость к
болезням), но и выделить их в чистом виде. Это открывает перспективы
для искусственного создания новых генотипов путем включения в
состав ДНК генов, обеспечивающих те или иные качества. Этим
занимается генная инженерия — новая, интенсивно развивающаяся
отрасль биотехнологии.
Выщепленные с помощью ферментов рестриктаз из ДНК участки,
несущие нужную информацию, встраиваются в кольцевую молекулу
бактерий (плазмиду). Бактерия проникает в клетку растения, доставляя
туда
новую
информацию,
которая
затем
реализуется
белоксинтезирующей системой и обеспечивает новые свойства. В
настоящее время выделено несколько десятков генов, ответственных за
некоторые важные ферменты, например а-амилазу ячменя, а также
гены, контролирующие запасные белки сои, гороха, кукурузы;
выделены и гены устойчивости к антибиотикам. В клетки
подсолнечника был доставлен ген запасного белка фасоли —
фазеолина. Полученные путем регенерации из каллуса растения,
обладающие наследуемой способностью к синтезу этого белка,
получили название «санбин» (от английских слов подсолнечник —
sunflower и бобы — been). Следует, однако, отметить, что практическое
значение подобных опытов пока еще невелико, хотя имеются хорошие
перспективы. В то же время нельзя забывать, что насильственное
вмешательство в святая святых природы — наследственность — при
недостаточно серьезном отношении к этой проблеме может повлечь
катастрофические последствия, связанные с исчезновением старых и
появлением новых видов, что способно нарушить экологическое
равновесие на планете.
Если репликация ДНК обеспечивает генетическую стабильность, то
генетическую изменчивость — главный двигатель эволюции —
осуществляют рекомбинация и транспозиция.
Рекомбинация — это взаимодействие и обмен участками двух
различных молекул ДНК, приводящие к образованию молекулы,
отличающейся от исходных. При этом возникает разрыв цепей ДНК с
последующим их сшиванием. В наиболее типичном случае это
происходит в момент кроссинговера при мейозе (рис. 14).
Транспозиция — процесс перемещения генов по хромосоме или даже
между разными хромосомами, в основе которого, как и во время всей
другой деятельности ДНК, лежит взаимодействие между
комплементарными основаниями («прыгающие гены»).
Рис. 14. Генетическая рекомбинация
ДНК:
/ — две молекулы ДНК; 2 — образование
разрывов; 3 — перекрест; 4 — сшивание
Известно, что именно транспозицией
объясняется
быстрое
эвоРис. 15. Транскрипция РНК:
7— РНК-полимераза; 2 — растущая цепь
люционирование
бактериальных
РНК
штаммов,
приобретающих
резистентность к антибиотикам.
Неизменность наследственной информации ДНК поддерживается
посредством репарации, в ходе которой с помощью ферментов
поврежденные участки «вырезаются» и заменяются нормальными.
Ошибка в работе систем репарации приводит к мутациям —
наследуемым изменениям в генетическом материале.
Реализация наследственной информации ДНК осуществляется
посредством процесса транскрипции мРНК, что служит начальным
этапом в биосинтезе клеточных белков. При транскрипции фермент
РНК-полимераза раскручивает двойную спираль ДНК; на одной из
нитей («значащей») происходит комплементарный синтез мРНК, в
котором участвуют АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ. В отличие от репликации
при транскрипции РНК синтезируется ДНК лишь на отдельном участке,
отвечающем за образование конкретного белка (рис. 15). Образующаяся
молекула матричной РНК состоит из кодонов — триплетов, комплементарных таковым ДНК. Каждый кодон шифрует определенную
аминокислоту.
После завершения транскрипции РНК претерпевает процессинг
(дозревание). В ходе этого процесса происходит сплайсинг — удаление
участков, не содержащих информацию (интронов), с последующим
сшиванием полинуклеотидной цепочки. Кроме того, для стабилизации
новообразованной молекулы
РНК, облегчения ее транспорта и продления времени жизни в
цитоплазме осуществляются кэпирование — присоединение
специальной нуклеотидной последовательности на 5'-конце (cap поанглийски — шапочка), а также присоединение нескольких остатков
адениловой кислоты к З'-концу (полиаденилирование). Образованная
мРНК окружается белками, выходит из ядра через поры в его оболочке
и в виде информосомы достигает рибосомы, где заключенная в ней
информация реализуется на синтез белка.
1.2.5. БИОСИНТЕЗ БЕЛКА
Этот сложный процесс, требующий значительного количества
энергии, состоит из нескольких этапов.
1. Активация аминокислот в цитоплазме за счет энергии АТФ:
Аминокислота +АТФ —- аминоацил-АМФ + ФФ (пирофосфат)
2. Взаимодействие активированной аминокислоты с транспортной
РНК (тРНК).
тРНК представляет собой относительно небольшую молекулу (73—
93 нуклеотида; М.М ~ 25 тыс.) с характерной структурой,
напоминающей клеверный лист (рис. 16). Один из участков имеет
неспецифическую для всех тРНК последовательность нуклеотидов —
ЦЦА. К этому триплету присоединяется аминоацил — АМФ. Зато
другой участок строго специфичен для разных тРНК — там находится
триплет антикодон, комплементарный какому-нибудь кодону на мРНК.
Специфический фермент осуществляет взаимодействие строго
определенной активированной аминокислоты с конкретной тРНК:
аминоацил-АМФ + тРНК аминоацил-тРНК-сиитетаза ,
аминоацил-тРНК + АМФ.
Таким образом, каждая тРНК может переносить только определенную аминокислоту. Богатый энергией комплекс аминокислоты с
тРНК перемещается в цитоплазме и достигает рибосомы.
3. В рибосоме происходит главный этап белкового синтеза —
трансляция, в основе которого лежит «узнавание» антикодоном тРНК
комплементарного кодона мРНК, обеспечивающее специфическую
последовательность аминокислот в синтезируемом белке (рис. 17).
Начальный этап трансляции — инициация — требует энергии в
форме ГТФ. Инициирующий кодон мРНК
(ДУГ) комплементируется с антикодоном
тРНК, несущей аминокислоту метионин
(после
завершения
синтеза
эта
аминокислота
отщепляется
от
полипептида). Образующийся комплекс
обладает
способностью
взаимодействовать сразу с обеими
субъединицами рибосомы. В результате
этого мРНК оказывается между этими
субъединицами,
что
обусловливает
начало считывания информации.
Следующий за инициацией этап —
элонгация — также требует энергии ГТФ.
По мере реализации наследственной
информации
мРНК
как
бы
«продергивается»
через
рибосому.
В
Рис. 16. Схема строения трансрезультате
последовательного
портной РНК аминокислоты глицин:
«узнавания» антикодонами тРНК кодонов
АЦЦ — аминоацильный конец; ГГА —
мРНК достигает
антикодон
ся
необходимое
расположение
аминоацил—тРНК, за которым следует
образование пептидной связи между этими аминокислотами, после чего
освободившиеся тРНК могут вновь присоединять и переносить новые
молекулы
соответствующих аминокислот.
В осуществлении необходимого расположения в рибосоме тРНК,
мРНК, а также в образовании пептидной связи участвуют рибосомальная
РНК и белки рибосом.
Завершающим этапом трансляции является терминация. Терминирующие кодоны УДА, УАГ, УГА, попадая в пределы рибосомы,
служат сигналом окончания синтеза полипептида, так как этим
триплетам не соответствует никакая тРНК. В соответствии с созданной в
рибосоме первичной структурой в цитоплазме формируются вторичная,
третичная и четвертичная, характерные для каждого белка, и он
оказывается способным выполнять свои специфические функции.
Регуляция синтеза белка. Молекула ДНК каждой клетки несет
информацию о десятках и сотнях тысяч белков. Однако эти
потенциальные возможности никогда не реализуются одновременно.
Нам уже известно, что бездействующие в клетке гены «просыпаются» и
начинают реализовывать заключенную в них информацию на синтез
белков, необходимых для активации ферментативной деятельности,
борьбы с инфекцией или противодействия различным стрессовым
факторам. В процессе развития организма в клетках постоянно
происходит качественная смена белков. Следовательно, существует
тонкая и четкая система
Направление считывания мРНК
Рис. 17. Синтез белка на рибосоме
R1
включения и выключения отдельных генов в ДНК, обеспечивающая
внутренние условия для выполнения наследственной программы.
Французские ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно в 1961 г. впервые
высказали предположение, что механизм экспрессии и репрессии
генов связан со структурой самой молекулы ДНК. Они предложили
схему регуляции белкового синтеза, разработанную для бактерии
Escherichia coli. В дальнейшем в эту схему были внесены некоторые
изменения и дополнения, касающиеся в основном эукариот. Согласно
современным представлениям деятельность структурного гена
(ответственного за специфический белок, фермент, функцию)
контролируется с помощью особого регуляторного гена, отделенного
по расположению в ДНК от структурного. Регуляторный ген
определяет синтез белков — репрессоров или активаторов
деятельности структурного гена. Связываясь с промотором —
особым участком структурного гена, который предшествует
триплетам, кодирующим специфический белок, репрессор
препятствует взаимодействию РНК-полимеразы с ДНК. Вследствие
этого транскрипция оказывается невозможной. Активатор, напротив,
облегчает присоединение РНК-полимеразы, что повышает
транскрипционную способность структурного гена.
Экспрессия заторможенного гена может быть вызвана индуктором
— веществом, связывающим или разлагающим репрессор. РНКполимераза получает возможность контактировать с ДНК;
начинается транскрипция, за которой следует синтез белка, ответственного за необходимую функцию. В качестве индукторов, повидимому, могут выступать различные метаболиты, белки,
фитогормоны.
Биологическое значение экспрессии-репрессии как системы
контроля заключается в том, что она позволяет организму приспосабливаться к изменению внешней среды. Велико экономическое
значение этого механизма: клетка не затрачивает энергию на синтез
тех белков, в которых не нуждается в данный момент и в данных
условиях.
1.2.6.
УГЛЕВОДЫ РАСТЕНИЙ
По сравнению с белками, ферментами, нуклеиновыми кислотами
молекулы углеводов устроены значительно проще. Их химический
состав суммарно может быть выражен так: (СН2О)П. В зависимости
от числа мономеров в строении углеводов их подразделяют на моно, ди-, олиго- и полисахариды.
К моносахаридам (монозам) относятся простые углеводы,
имеющие 3 (триозы), 4 (тетрозы), 5 (пептозы), 6 (гексозы), 7 (гептозы)
углеродных атомов. В молекулах моноз имеется либо
альдегидная группа (альдозы), либо кетонная (кетозы). Простейшей
альдозой является глицериновый альдегид (ГА), кетозой —
дигидроацетон (ДА). Начиная с ГА все моносахариды (кроме ДА)
имеют асимметричные углеродные атомы (*). Это значит, что могут
существовать различные стереоизомеры каждого соединения:
о
//
с
Iн
н-с-он
О
//
С.
IН
CHjOH
I‘
с=о
I СН2ОН
НО-С*-Н
I
I
СН2ОН
СН2ОН
L-глицериновый
альдегид
D-глицериновый
альдегид
D-гидроацетон
В природе преобладают D-формы моносахаридов.
Установлено, что помимо линейной структуры простые сахара могут
иметь и циклическую (пиранозную — шестичленную или фуранозную —
пятичленную) структуру. При этом возникают еще два изомера — аир:
I с=о
I н-с-он
Н
I но-с-н
I н-с—он
I н-с-он
I СН2ОН
ОН Н
Моносахариды, прежде всего
триозы и гексозы, играют большую роль в важнейших метаболических
превращениях. (Их участие в фотосинтезе и дыхании будет рассмотрено в
a-D-глюкоза
D-глюкоза
р-D-глюкоза
P-D-фруктоза
других главах.) Пентозы — рибоза и дезоксирибоза, как указывалось
ранее, являются неотъемлемыми компонентами АТФ, нуклеиновых кислот, многих ферментов. В некоторых растительных объектах (плоды,
ягоды) моносахариды — глюкоза, фруктоза — служат запасными
веществами.
Молекулы моносахаридов могут взаимодействовать друг с другом с
выделением воды. Из двух моноз образуются дисахариды,
R1
из трех и четырех — олигосахариды (соответственно три- и тетрасахариды). Если в состав молекулы входит большое число остатков
простых сахаров, то возникают полисахариды.
Важнейшим дисахаридом, состоящим из остатков a-D-глюкозы и p-Dфруктозы, является сахароза.
HOHjC
С Н ОНс
о
СН2ОН
он н
сахароза
Сахароза служит запасным питательным веществом в корнеплодах,
сочных плодах, сахарном тростнике. Другим замечательным свойством
этого дисахарида (так же, как и некоторых олигосахаридов, — стахиозы,
рафинозы, вербаскозы) является ее транспортная роль. Именно в этой
форме фотосинтезированные в листьях ассимиляты передвигаются в
разные части растения.
Полисахариды выполняют в растении в основном две функции —
структурную и запасную. Главное запасное вещество растений — крахмал
— представляет собой смесь двух полимерных молекул, каждая из
которых состоит из многочисленных остатков a-D-глюкозы. В молекуле
одного из них — амилозы — глюкозные остатки соединены друг с другом
только посредством связей между 1-ми 4-м углеродными атомами,
вследствие чего амилоза представляет собой линейную структуру. При
образовании амилопектина между молекулами глюкозы образуются не
только 1—4-связи, но и связи между 1-м и 6-м углеродными атомами
соседних молекул, в результате чего возникает разветвленная структура.
амилопектин
Соотношение амилозы и амилопектина в крахмале из разных объектов
неодинаково: крахмал яблок почти целиком состоит из амилозы, в то время
как в кукурузном крахмале до 80 % приходится на амилопектин. Крахмал
находится в клетках растений в
ап виде крахмальных зерен, форма, размеры и структура которых в
значительной степени определяются генотипически. При определении
качества муки это позволяет выявлять примеси.
В некоторых растениях роль основного запасного полисахарида
выполняет полифруктозан инулин, как, например, в клубнях земляной
груши.
1.2.7.
ЛИПИДЫ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
Общее свойство всех веществ этой группы — высокая гидрофобность.
Липиды растворяются в эфире, бензине, бензоле. Это обусловлено
наличием в их молекулах большого количества неполярных
углеводородных радикалов.
Липиды можно разделить на следующие группы.
Собственно жиры. Они являются сложными эфирами трехатомного
спирта глицерина и высших карбоновых кислот.
Высокомолекулярные жирные кислоты представляют собой длинные
углеводородные цепочки с насыщенными или ненасыщенными связями.
От степени насыщенности о жирных кислот зависит консистенция жира:
чем ц больше степень ненасыщенности, тем более сн2—о—с—R,
жидким при нормальных условиях является жир
I
о
(масло). В жирах растений чаще других встреча;
||
ются такие ненасыщенные кислоты, как олеиноСН—о—с—R2
вая (С17Н33СООН), линолевая (С17Н31СООН),
I
о
линоленовая (С47Н29СООН), среди насыщен[
II
ных — стеариновая (С17Н35СООН) и пальмитиСН2—О—С—R3
новая (С15Н33СООН). Собственно жиры отлича
ются очень высокой калорийностью: 1 г жира дает 38 кДж
(больше, чем углеводы и белки). Это определяет основную функцию
жиров — запасную. Главное место их локализации — семена.
Насыщенность жирами семян масличных культур делает их ценнейшим
сырьем для производства масел, использующихся в пищевых и
промышленных целях.
Содержание масла в семенах масличных культур (по П. П. Вавилову и др.,
1979)
Культура
Подсолнечник
Сафлор
Горчица сизая
Рапс озимый
Рыжик
Клещевина
Содержание масла, %
абсолютно сухого
вещества
Культура
Содержание масла, %
абсолютно сухого
вещества
29-37
25-37
35-47
45-49
25-46
47—58
Кунжут
Перилла
Ляллеманция
Арахис
Соя
Лен масличный
48—63
26—49
29-37
41-55
15-24
30—49
Следует отметить еще одну полезную особенность жиров. При их
окислении высвобождается больше воды, чем при окислении других
запасных веществ (так называемая метаболическая вода). Это
обстоятельство может иметь решающее значение для выживания
растительного организма в условиях водного стресса.
Воска. Это наиболее гидрофобные вещества из всех липидов. Они
представляют собой сложные эфиры одноатомных высокомолекулярных
спиртов (от 22 до 32 атомов углерода) и высших жирных кислот с числом
углеродных атомов от 24 до 36. В качестве спирта в растительных восках
часто встречается цетиловый — (СН2)14СН2ОН. Помимо эфиров в состав
восков могут входить и молекулы свободных высокомолекулярных
спиртов, кислот и углеводородов.
Воска образуются в цитоплазме и накапливаются в виде отдельных
пластинок в клеточной стенке эпидермальных клеток, откуда они
выступают на поверхность в виде гранул, палочек, ячеек. Образовавшаяся
таким образом кутикула защищает листья, стебли и плоды растений от
высыхания при недостатке влаги и вымокания в период длительных
дождей. Восковой налет служит существенной преградой для
проникновения в растение патогенных грибов и бактерий, а также ряда
вредных насекомых. Листья некоторых растений, например свечного
дерева (Euphorbia antisyphilitica), выделяют так много воска, что его
используют на выделку свечей.
Стероиды. Относятся к терпеноидам. В основе их строения лежат
конденсированные структуры из четырех углеводородных циклов,
представляющих собой высокомолекулярные спирты или их сложные
эфиры. Эти гидрофобные вещества играют определенную роль в
структуре клеточных мембран, а также являются витаминами группы D
(эргостерол). Стероиды выделены из таких растительных объектов, как
зародыши пшеницы и кукурузы, зеленые листья. Наиболее богаты этой
группой липидов дрожжи и плесневые грибы.
Липофильные пигменты. К этой группе относятся растворимые в
органических растворителях пигменты — хлорофиллы и каротиноиды.
(Их химическая природа, свойства и функции рассматриваются в главе
«Фотосинтез»).
Амфипатические липиды. Основное отличие этой группы заключается в том, что они обладают двойственными свойствами: как
гидрофобностью, так и гидрофильностью. Последнее обеспечивается тем,
что с одной из спиртовых групп глицерина взаимодействует соединение с
гидрофильными свойствами. Поэтому, если собственно жиры схематично
изображают в виде символа Ш, то амфипатические липиды напоминают
камертон — ЦЛ; две его ветви, символизирующие радикалы с
гидрофобными свойствами, обращены в одну сторону, а третья, с
противоположными гидрофильными свойствами, — в другую.
Наиболее часто в растениях встречаются фосфолипиды, гликолипиды и сульфолипиды.
Фосфолипиды. В их молекулах с одним из гидроксилов глицерина
взаимодействует ортофосфорная кислота, к которой присоединяется
какое-либо гидрофильное соединение:
н2с-о-
HjC-O-C-R,
I?
HC-O-C-R2
I°
I II
H2C-O-P-O-CH2-CH2-NH2
J,tj этаноламин
нс—о—C-R2
Iо
I II
H2C-O-P-O-CH2-CH-COOH
ОН Ь1Н2
серин
Гликолипиды. В качестве гидрофильного компонента содержат
остаток галактозы:
'
•
о
H2C-O-C-R|
I?
нс—о—с—R2
H2C-0
н он
Сульфолипиды. В растительных липидах этого типа галактоза
взаимодействует с серной кислотой следующим образом:
Соотношение различных форм амфипатических липидов можно
представить по анализу их содержания в листьях сахарной свеклы.
Содержание различных форм липидов в листьях сахарной свеклы (по Дж. Боннеру,
1968)
Тип липидов
Фосфолипиды: фосфатидилхолин
фосфатидилэтаноламин фосфатидилинозит
фосфатидилглицерин
Гликолипиды Сульфолипиды
Роль амфипатических липидов в
живой клетке уникальна: они являются
основой всех биологических мембран.
Мкмолъ/г сырой массы
4,7
2,2
1,1
0,5
3,7
0,9
1.3. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ МЕМБРАН
Способность живых клеток поддерживать постоянство внутренней среды (гомеостаз) известна очень давно. В этом легко
убедиться, сравнивая химический состав клеток и окружающей их
среды: содержание в клетке калия, кальция, натрия, хлора и других
элементов в десятки и сотни раз превышает таковое в среде.
Установлено, что способность регулировать свой состав утрачивается
с гибелью клетки. Все эти данные уже 100 лет назад позволили
предположить, что на поверхности клетки имеются структуры,
ответственные за регуляцию поглощения и выделения веществ,
существование которых обеспечивается процессами
68
жизнедеятельности. Однако лишь к середине XX в. с помощью
электронной микроскопии удалось достоверно зафиксировать наличие
на поверхности клетки и ее органелл сходных по строению трехслойных
образований — мембран.
Изучением мембран занимается специальная наука — мембранология. Путем дифференциального центрифугирования удается '
выделить мембранную фракцию и определить ее состав. Основ- . ными
химическими компонентами мембран являются белки ц липиды.
Соотношение белков и липидов в различных клеточных мембранах
связано со спецификой (функций' этих -мембран.' (табл. 8). Те из них,
которые выполняют только защитную функцию (например, оболочка
нерва), насыщены липидами; высокая ферментативная и энергетическая
активность (внутренняя мембрана митохондрий) может осуществляться
лишь при большом содержании белков.
8. Количество белков и липидов в разных мембранах, %
Мембрана
|
Белки
|
Липиды
Миелин (оболочка нерва)
Внешняя мембрана митохондрий
20
55-65
80
35—45
Внутренняя мембрана
митохондрий
Тилакоиды хлоропластов
Оболочка ядра
75-85
15-25
50-60
43-52
40—60
38-47
Белки мембраны можно разделить на три группы: структурные,
транспортные и ферментативные. Липиды представлены главным
образом амфипатическими, хотя в мембранах всегда имеется некоторое
количество собственно жиров. Соотношение в мембранах различных
форм липидов непостоянно. В частности, достоверно установлено, что
в стрессовых условиях (засуха, мороз) доля амфипатических липидов
возрастает. Кроме того, в этих неблагоприятных условиях в липидах
повышается содержание непредельных жирных кислот, что делает
мембранный матрикс более жидким и подвижным. С помощью этих
изменений в химическом составе мембран удается идентифицировать
различия в зимостойкости сортов озимых культур. Работами Г. В. Новицкой в Институте физиологии растений показано, что в результате
закаливания в растениях устойчивого к морозу сорта озимой ржи
Харьковская 55 содержание фосфатидилхолина повысилось по
сравнению с незакаленными растениями в 6,7 раза, в то время как этот
показатель для неморозостойких растений сорта Харьковская 70
увеличился лишь в 2,5 раза.
Помимо белков и липидов в мембранах есть и другие химические
вещества. Это прежде всего вода, содержание которой может достигать
30 % массы мембраны. Вода играет важную
роль в ориентировании отдельных структурных компонентов, а также
облегчает транспорт через мембрану гидрофильных веществ.
Обязательным компонентом мембран являются полисахариды,
взаимодействующие с белками преимущественно на поверхности.
Среди минеральных веществ мембран особо следует выделить кальций,
способствующий взаимодействию друг с другом мембранных
компонентов.
Вопрос о строении мембран возник вместе с самим предположением об их существовании. Прежде всего выяснилось, что
организация мембран обусловлена свойствами самих амфипатических
липидов. Уже в 20-х годах текущего столетия было обнаружено, что
липиды, экстрагированные из эритроцитов и разлитые на поверхности
воды, занимают там площадь, вдвое большую, чем поверхность
эритроцитов. Из этого было сделано заключение, что липиды
располагаются на поверхности клеток двойным слоем, в котором
гидрофобными радикалами они обращены друг к другу, а
гидрофильными группировками — к окружающей водной среде и
содержимому клетки. В дальнейшем модельные опыты показали, что
поверхностное натяжение искусственной мембраны — липидной
пленки и мембраны живой клетки существенно различаются. Когда к
липидам добавили белок, пограничные свойства мембран сохранились,
а поверхностное натяжение уменьшилось. На основании этих
результатов было высказано предположение о наличии белков в
клеточных мембранах.
В начале 30-х годов Г. Даусон и Д. Даниелли предложили свою
гипотезу о строении элементарной клеточной мембраны (рис. 18),
согласно которой она представляет собой двойной липидный слой, с
двух сторон покрытый белками. Описанная структура напоминает
двойной
бутерброд
—
сэндвич.
Основными
силами,
стабилизирующими мембрану, являются слабые водородные
взаимодействия между гидрофильными радикалами белков и
амфипатических липидов, а также гидрофобные связи Ван-дер-Ваальса
в зоне углеводородных радикалов высокомолекулярных жирных
кислот. В дальнейшем было высказано предположение о наличии в мембранах «пор», представляющих
собой участки с гидрофильными
№ЧОооо связиОО
свойствами.
ОО
Предложенная Д. Даниелли и
_______ ОППОО
Г. Даусоном модель элементарной
ОО
(унитарной) клеточной мембраны
Ван-вер-Ваамп\\ U
ОО
в течение последующих лет
5
неоднократно
подтверждалась
Рис.
18.
Схема
строения
U Ц н-сВяш/^^^ элементарпрямыми
исследованиями
ее
ной мембраны («сэндвич») (по Г. Дауструктуры и функций и до сих пор
сону и Д. Даниелли, 1935):
остается ос1 — белок; 2 — липиды; 3 — «пора»
1
2
новой современных мембранных схем. Однако развитие науки и
Рис. 19. Современная схема строения элементарной клеточной мембраны (по Д.
Кларксону, 1978):
1 — периферические белки; 2—глобулы интегральных белков; 3— двойной липидный слой;
4—липидная мицелла; 5 — молекулы неполярных липидов
экспериментальной техники позволило к настоящему времени
сформировать представление о мембранах как о более разнокачественных и динамичных образованиях как в структурном, так и в
функциональном отношении. Примеров такой динамичности немало.
Так, в результате активного встраивания в мембрану новых элементов
поверхность быстрорастущих клеток в тычиночных нитях злаков за 1 ч
увеличивается в 65 раз, т. е. каждую минуту плазмалемма нарастает на
свою первоначальную величину. Структурная лабильность объясняет и
такие явления, как быстрое изменение периметра плазмалеммы и
тонопласта при плазмолизе и деплазмолизе и образование выростов
мембраны во время пиноцитоза.
Огромную роль в современных представлениях о структуре мембран
сыграл прогресс электронно-микроскопической техники. В настоящее
время модель клеточной мембраны можно представить себе
следующим образом (рис. 19).
Основой мембраны являются амфипатические липиды. Их
организация в бимолекулярный слой объясняется физико-химическими
свойствами самих молекул. В результате возникает внутренняя
гидрофобная зона — полужидкий матрикс, обладающий высокими
изолирующими свойствами в отношении гидрофильной среды.
Стабильность этого слоя увеличивается присутствующими в нем
неполярными молекулами жиров.
Помимо бислоя липиды в мембране организованы в глобулярные
структуры — мицеллы, внутренняя часть которых образована
гидрофобными остатками жирных кислот, а наружная — гидрофильными компонентами амфипатических липидов. Липидные
мицеллы уменьшают стабильность мембраны, но дают ей возможность
изменять конфигурацию. Кроме того, вокруг периферической
гидрофильной зоны липидных мицелл возникают гидратные оболочки,
облегчающие движение воды и растворенных в ней молекул.
По современным данным, диффузия воды через липидный матрикс
может осуществляться также с помощью кинкизомеров. Что же это
такое? Длинные углеводородные цепочки остатков высших карбоновых
кислот в жидком матриксе мембраны находятся в постоянном тепловом
движении. Если вокруг какой-либо С—С-связи в прямой
углеводородной цепи произойдет поворот на 120°, то соседняя с ней
С—С-связь также повернется на 120°, но в противоположном
направлении. При этом образуется «излом», ограничивающий
небольшой пустой объем, который не остается на месте, а перемещается
вдоль цепи. В этом объеме, как в пакете, через мембрану могут
проходить молекулы воды и некоторые растворенные вещества.
Поверхностное положение в мембране белков подтверждается как
результатами электронно-микроскопических исследований, так и
данными модельных опытов. В то же время метод замораживания —
скалывания позволил зарегистрировать в самой толще мембраны очень
крупные глобулы, иногда пронизывающие всю мембрану насквозь и,
по-видимому, лабильно взаимодействующие с другими компонентами
мембраны как гидрофильно, так и гидрофобно. Эти крупные
образования представляют собой молекулы белков, имеющие
непосредственное отношение к активному транспорту веществ через
мембрану: плотность распределения этих элементов часто коррелирует
с транспортной активностью мембран.
Таким образом, современная модель мембраны отражает лабильность, динамичность, разнокачественность ее структуры и
способность осуществлять многообразные функции. Значение мембран
трудно переоценить. С их помощью в клетке осуществляются
важнейшие принципы экономичности, скорости, направленности и
сопряженности всех процессов.
1. Мембраны — это пограничные структуры, обеспечивающие
диалектическое единство разделения и связи клеточных компонентов.
2. С помощью мембран поддерживается гомеостаз — постоянство
среды в каждом компартменте клетки.
3. Через мембраны происходит обмен веществ, энергии и
информации между клеткой и окружающей средой.
4. Мембраны связаны с важнейшими биохимическими процессами,
так как в них локализованы ферменты, осуществляющие синтез,
гидролиз, окисление, перенос и т. д.
5. На мембранах хлоропластов и митохондрий происходят сложные
процессы биоэнергетики (фотосинтетическое и окислительное
фосфорилирование), снабжающие клетку энергией.
6. Мембраны выполняют рецепторную функцию, воспринимая
внешние раздражения и передавая сигналы о них организму в целом.
6.1.1.
ПРОБЛЕМА МЕМБРАННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
Способность веществ преодолевать мембранный барьер зависит
прежде всего от их химической природы. Еще на заре XX в. английский
ученый Дж. Овертон показал, что вещества, имеющие сродство к жирам
(липофильные), легко проходят в клетку. Теперь мы знаем, что это
объясняется их сродством к мембранному матриксу, состоящему из
липидов. Гидрофильные же вещества, в первую очередь вода, повидимому, «протискиваются» через мембранные поры. Поэтому для их
проникновения существенное значение имеют размеры молекулы. Само
понятие «поры» скорее всего является не структурным, а функциональным. Иными словами, пора — это не отверстие в мембране, а участок,
обладающий гидрофильными свойствами и способный проводить
гидрофильные вещества. В среднем размер такой поры 0,3—0,5 нм.
Лабильность структуры мембраны, обусловленная слабыми связями
между ее компонентами, приводит к тому, что поры могут менять
расположение и размеры. Это объясняет изменчивость пропускной
способности мембраны.
Особое значение для живой клетки имеет поступление в нее
минеральных элементов, без которых не обходится ни один
функционально важный процесс. Так как минеральные вещества
находятся в окружающей среде (почве) в растворенном состоянии и
поступают в клетку в виде ионов, то мембрану должны преодолевать
гидратированные в той или иной степени частицы. Молекулы воды, как
известно, являются диполями и вследствие этого ориентируются вокруг
положительно или отрицательно заряженных ионов соответствующими
полюсами. Размеры гидратируемых частиц сильно увеличиваются, что
препятствует их проникновению через поры мембраны. Степень
гидратации ионов зависит от их заряда и размеров атомного ядра.
Гидратационное число так увеличивается в ряду катионов: калий — 4,
натрий — 5, кальций — 10, магний — 13, алюминий —21. Чем более
гидратирован ион, тем труднее ему преодолеть мембрану.
Движение ионов через мембраны связывают со специальными
молекулами-переносчиками — ионофорами. Действие ионофоров
можно представить на примере функционирования антибиотиков —
веществ, вырабатываемых некоторыми грибами и бактериями и
действующих в очень низких концентрациях (10-1.1- I0-6 М).
Антибиотик, продуцируемый бактериями Streptomyces fulvissimus, —
валиномицин — представляет собой циклический полипептид, почти не
растворимый в воде. Сродство валиноми- цина к мембранному
матриксу обеспечивается гидрофобными радикалами, расположенными
на поверхности молекулы, в то время как на внутренней ее части
имеются карбоксильные группы, с атомами кислорода которых ион
калия образует координационные связи (рис. 20, А). Благодаря
неполярному «чехлу» он благополучно преодолевает мембрану.
Переносчик при этом может быть уподоблен челноку, курсирующему
от одной поверхности мембраны к другой. Внутренний размер
«молекулярного мешка» обеспечивает высокую избирательность к
определенному иону. Так, валиномицин связывает и транспортирует
ион калия в 1000 раз эффективнее, чем ион натрия.
Другой антибиотик — грамицидин — представляет собой линейный
полипептид, две молекулы которого образуют спиралевидный канал, в
котором гидрофильные группы обращены внутрь, а гидрофобные — к
мембранному матриксу. По гидрофильному каналу происходит
передвижение через мембрану ионов (рис. 20, Б).
Способность антибиотиков наводить каналы ионной проводимости
обусловливает их медицинское значение, так как является мощным
средством ионного опустошения клеток патогенных микроорганизмов.
Вследствие сильного повышения проницаемости («продырявливания»)
клеточных мембран под действием антибиотиков происходит быстрая
утечка калия и других важных элементов из клеток возбудителей
болезней, в связи с чем насту-
Рис. 20. Переносчики ионов через мембрану:
А — комплекс валиномицина с ионом калия; Б — грамицидиновая «пора»
"70
II
О ООО
2
Рис. 21. Механизмы движения веществ через мембрану:
1 — пассивный транспорт: 1 — диффузия и осмос; 2 — электрофорез; II — активный транспорт: 3 — ионный насос
пает их гибель. На этом основан терапевтический эффект антибиотиков
в борьбе с инфекционными заболеваниями.
Фитопатогенные грибы способны вырабатывать весьма специфические вещества, с помощью которых они воздействуют на
поражаемые растения, увеличивая проницаемость клеточных мембран,
чем причиняют растительному организму непоправимый вред.
Идентификация мембранных переносчиков растений и изучение их
действия для ученых-биологов — важная задача, решение которой в
дальнейшем может иметь практическое значение в управлении ионным
транспортом.
До сих пор рассматривался вопрос о том, каким образом различные
по природе и свойствам вещества способны преодолевать мембранный
барьер. Не менее важно и то, какие силы направляют вещества в клетку
или из нее.
Все известные механизмы, обеспечивающие передвижение атомов,
ионов или молекул межцу клеткой и средой, можно разделить на две
категории. К первой относятся процессы, происходящие по законам
физики и химии, общим как для живой, так и неживой природы.
Направление движения молекул и ионов в этом случае определяется
градиентами, существующими между клеткой и окружающей ее средой.
Живая клетка не затрачивает на транспорт веществ собственной
энергии, вырабатываемой ею в процессе жизнедеятельности. Такой тип
транспорта называется пассивным. Пассивный транспорт — это
движение веществ по физико-химическим градиентам без затраты
клеткой метаболической энергии. Подобное движение происходит как
в живой, так и в неживой природе.
Другая категория процессов транспорта веществ — активный
транспорт — присуща только живым организмам, которые способны
осуществлять передвижение молекул и ионов против фи- зикохимических градиентов. Для того чтобы «повернуть вспять»
движущиеся частицы, клетке необходимо затратить какую-то часть
выработанной ею в процессе обмена веществ энергии, запасенной чаще
всего в молекулах АТФ (рис. 21, II). Энергетические затраты клетки на
активный транспорт веществ очень велики — они могут достигать 40 %
всей энергии дыхания.
Рассмотрим возможные механизмы пассивного и активного
транспорта веществ.
Пассивный транспорт. Важнейшим механизмом передвижения
веществ является диффузия. В газах и жидкостях молекулы и ионы
находятся в постоянном движении благодаря кинетической энергии,
которой обладают эти частицы. По второму закону термодинамики
каждая система стремится уменьшить свою внутреннюю энергию и
увеличить энтропию. Поэтому в сообщающихся растворах разных
концентраций частицы растворенного вещества будут перемещаться из
более концентрированного раствора в менее концентрированный (рис.
21, Г). Одновременно из второго сосуда в первый на том же основании
будут передвигаться молекулы растворителя. Процесс направленного
передвижения молекул продолжится до тех пор, пока концентрация
растворенного вещества в обеих частях системы не станет одинаковой.
При этом энергия движущихся частиц в любой единице объема Данной
системы уравнивается — химический потенциал будет одинаков. Таким
образом, движущей силой диффузии, происходящей за счет тепловой
энергии, является градиент концентрации (Ас) или химического
потенциала (Др) данного вещества. Количество вещества,
диффундирующего в единицу времени через единицу поверхности,
пропорционально градиенту концентрации и зависит от природы
диффундирующего вещества (коэффициента диффузии). Это
выражается уравнением Фика:
dn de
-dT-ds
где
— число частиц, диффундирующих за единицу времени (скорость диффуcit
"
de зии);
D — коэффициент диффузии; q — площадь поверхности диффузии; — — градиент
концентрации между двумя системами.
Если объемы с различными концентрациями не сообщаются, а
разделены перегородкой, проницаемой для растворителя, но не
проницаемой для растворенного вещества, то выравнивание концентраций будет происходить лишь за счет перемещения молекул
растворителя. Такие перегородки называют полупроницаемыми, а
движение частиц через них — осмосом.
Таким образом, осмос — это одностороннее движение растворителя
через полупроницаемую мембрану по градиенту концентрации
(химического потенциала). Поскольку почвенный раствор всегда
сильнее разбавлен, чем водный раствор веществ в клетке (химический
потенциал воды выше в почвенном растворе), вода поступает в клетку
по законам осмоса.
Одной из форм пассивного транспорта является электрофорез —
движение заряженных частиц за счет электрической энергии по
градиенту электрического потенциала (рис. 21, 2). Предположим, что
две системы, содержащие раствор электролита, разделены мембраной,
проницаемой для ионов. Поверхность мембраны, обращенная к первой
системе, заряжена отрицательно по отношению к той ее стороне,
которая обращена ко второй системе. В результате этого под действием
электродвижущей силы в обеих системах возникает направленный ток
заряженных частиц — из первой системы во вторую будут
перемещаться анионы, из второй в первую — катионы.
Известно, что на клеточных мембранах генерируется и поддерживается электрический потенциал определенной величины —
мембранный потенциал (МП). Внешняя мембрана растительной клетки
— плазмалемма — имеет потенциал, равный в среднем —120...—150
мВ; МП тонопласта составляет —90...—120 мВ, хлоропластов —50...—
70, митохондрий —120...—170 мВ; клеточная оболочка также имеет
свой потенциал —50...—70 мВ. Знак «минус» перед цифрой,
выражающей значение мембранного потенциала, означает, что
содержимое нормально функционирующей растительной клетки и ее
органелл заряжено отрицательно по отношению к внешней среде.
Электрический градиент на мембране обусловлен рядом причин.
Его составляющими являются диффузионный потенциал, доннановский
потенциал и активность электрогенных насосов в клетке. Первый
компонент обеспечивает 30—40 % значения МП, второй — 10—15 %.
За счет активных механизмов (протонной помпы) достигается 45—50 %
этой величины. Диффузионный потенциал возникает в результате
различной проницаемости ионов через мембрану и, как следствие,
градиента их активности между клеткой и средой. Доннановский
потенциал образуется за счет фиксированных зарядов, присущих
находящимся в клетке молекулам белков, нуклеиновых кислот,
пектиновых и других веществ. Об активных механизмах генерации МП
с затратой метаболической энергии будет сказано дальше.
Итак, направление и скорость движения заряженных частиц
определяются совместным действием концентрационного и
электрического градиентов. Другими словами, реальной движущей
силой ионов является градиент электрохимического потенциала,
который выражается в джоулях на моль.
Активный транспорт. Известно, что основные макро- и микроэлементы в нормальных условиях жизнедеятельности находятся в
клетке в концентрациях, значительно превышающих их содержание в
окружающей среде. Так как со стороны цитоплазмы мембрана заряжена
отрицательно, совершенно очевидно, что анионы не способны
поступать в клетку пассивно, поскольку и концентрационный, и
электрический компоненты электродвижущей силы направлены не в
клетку, а из нее. Тем не менее клетка поглощает NOJ, Н2РО4, SO$_, С1~
и другие анионы. Следовательно, их транспорт в клетку представляет
собой активный процесс, требующий затрат энергии.
Что касается катионов, то, хотя концентрационный градиент, как
правило, направляет их движение из клетки в окружающую среду,
электрическая составляющая движущей силы действует в
противоположном направлении: отрицательный заряд на клеточной
мембране заставляет катионы устремляться внутрь клетки. В каждом
конкретном случае направление пассивного тока катионов будет
определяться соотношением двух сил — химической и электрической.
Для того чтобы решить, активно или пассивно движется ион и
каково направление его движения — в клетку или из нее при
конкретном соотношении концентраций иона в клетке и окружающей
среде, используют упрощенное уравнение Нернста:
Со
где Ем — потенциал Нернста (мембранный потенциал), абсолютное значение; п —
валентность и заряд иона; с/ — внутренняя концентрация иона; са — внешняя концентрация
иона.
Зная величину мембранного потенциала, можно рассчитать, каким
должно быть соотношение внутренней и внешней концентрации
данного иона при пассивном его перемещении за счет
электрохимического градиента. Если реально найденное соотношение
внутренней и внешней концентраций отличается от расчетного, значит,
клетка затрачивает метаболическую энергию на поглощение или на
выделение данного иона, то есть осуществляет его активный транспорт.
На практике мембранный потенциал клетки (МП) измеряют с
помощью электродов, представляющих собой тончайшие капилляры,
заполненные 3 М КО и открытые на концах. Один из капилляров
погружен в окружающий раствор, а другой вводят в цитоплазму клетки
с помощью микроманипулятора под микроскопом. С другой стороны
эти электроды через хлорсеребряный или каломельный электрод
присоединяют к высокоомному вольтметру, который и показывает
величину МП. Концентрацию иона в окружающей среде измеряют
стандартными методами. Для определения внутриклеточной
концентрации либо получают экстракт из убитых тканей, либо при
помощи центрифугирования выделяют из крупных клеток тонопласты
с вакуолярным соком. В экстрактах или выделенных вакуолях
концентрацию исследуемого иона измеряют обычными методами.
Приведем несколько примеров использования уравнения Нернста как критерия
активного транспорта.
Предварительно прямыми определениями установлено, что мембранный потенциал
клетки EN составляет 116 мВ, соотношение — для К+ равно 120, для Na+ — 20, а для С1 —
140. При п = 1 (для ионов Na и К ) из уравнения Нернста получаем:
116 = lg—; 1g—=
1 со со 58
=2 = IglOO; — = 100.
со
Таким образом, при МП, равном 116 мВ, за счет пассивного транспорта содержание
калия в клетке должно поддерживаться на уровне в 100 раз выше, чем в среде. Реально же
было установлено, что калия в клетке в 120 раз больше, чем вне ее. Уравнение Нернста
позволяет сделать следующий вывод: для поддержания реальной концентрации калия в
клетке электрохимического потенциала недостаточно, на поступление калия затрачивается
вырабатываемая клеткой энергия. За счет пассивных механизмов в клетке, обладающей
мембранным потенциалом в 116 мВ, концентрация Na+ также должна быть выше, чем
снаружи, в 100 раз. Однако реально, как было установлено, натрия в клетке только в 20 раз
больше, чем в среде. Следовательно, существующее соотношение между внутренней и
внешней средой активно поддерживается самой клеткой: она выкачивает наружу ионы
натрия, используя для этого энергию метаболических процессов.
При п = — 1 (для ионов хлора) уравнение Нернста будет выглядеть следующим образом:
, |£
58, С/ С/ 116 _________ э _ 1 л С* — Л
116 = —rig—; 1g—=--- = -2 = lg0,01 --------------------- 0,01.
-1 с0 со 58
СО
Для аниона хлора складывается противоположная ситуация: МП в 116 мВ обеспечивает
такое равновесие между клеткой и средой, при котором концентрация этого иона в
окружающей среде в 100 раз выше клеточной. Реально же определено, что в клетке хлора в
140 раз больше, чем снаружи. Как легко было предположить, отрицательно заряженные
ионы поглощаются клеткой против электрохимического градиента с затратой собственных
энергетических ресурсов.
В качестве критерия активности и пассивности ионного транспорта
может быть использована его зависимость от уровня метаболизма
клетки. Первые представления об активном транспорте веществ
связаны с именами американского ученого Д. Хогланда и выдающегося
отечественного физиолога Д. А. Сабинина.
Доказано, что движение ионов против электрохимического
градиента стимулируется теми факторами, которые положительно
влияют на дыхание и фотосинтез. Последние, как известно, являются
источниками АТФ в живой клетке. К числу активаторов транспорта
ионов относятся свет, температура, содержание в среде кислорода, а в
растении — углеводов (субстратов дыхания). С другой стороны,
воздействие на растение дыхательных ядов сильно тормозит
поглощение минеральных веществ. Все это подтверждает активный
характер поглощения клеткой ионов.
Вопрос о механизмах активного
транспорта
весьма
сложный. Системы, отвечающие
за передвижение ионов против
электрохимического
градиента,
по-видимому,
должны иметь
сродство
к
мембранному
матриксу;
быть
достаточно
структурно лабильными, чтобы
осуществлять
передвижение
какого- либо вещества; иметь
участки,
ответственные
за
специфическое
присоединение
какого- либо иона (молекулы);
обладать АТФ-азной активностью,
то есть способностью гидролизовать молекулу АТФ до АДФ и
неорганического
фосфата
с
высвобождением
энергии
макроэргической связи, которая и
обеспечивает транспорт иона.
Современные
исследования
мембран, как отмечалось ранее,
позволяют выявить в них крупные
глобулярные
образования,
которые представляют собой
белки,
часто
имеющие
четвертичную
структуру.
Активный транспорт веществ
через
мембраны
связывают Рис. 22. Схема работы натриево-калие- вого
насоса:
именно с этими белковыми А — ионофорная субъединица;
Б — АТФ- азная
молекулами. Так как ионы активно субъединица: 1 — центр присоединения
Na+; 2 —
+
центр
присоединения
К
;
3 — центр
«накачивавзаимодействия с АТФ
ются»
или
«выкачиваются»
.
клеткой, механизмы активного транспорта принято называть
ионными насосами, помпами. В живой клетке функционируют
насосы двух типов — электронейтральные и электрогенные. Принцип
работы электронешпрального насоса заключается в том, что он
переносит через мембрану два иона одинакового заряда в
противоположных направлениях. Поэтому в результате действия
такого насоса заряд на мембране не изменяется. Механизмом
подобного типа является натриево-калиевый насос. Одна из схем
работы этого насоса выглядит следующим образом (рис. 22). Белок,
отвечающий за транспорт натрия и калия, состоит из двух
структурных компонентов. Первая субъединица (А) пронизывает
матрикс мембраны, образуя в ней ионный канал, по которому могут
передвигаться ионы из клетки в среду и обратно. Во второй
субъединице (Б), находящейся на внутренней поверхности
мембраны, имеются участки, способные связывать натрий (7), калий
(2) и АТФ (5).
В результате гидролиза АТФ высвобождается энергия, за счет
которой происходит поворот глобулы таким образом, что Na+
оказывается в канале, сообщающемся с окружающей средой. В этот
момент переносчик теряет способность связывать какие-либо ионы. Na+
выходит наружу, а К+ поступает в клетку. Далее белок возвращается в
исходное, наиболее термодинамически выгодное состояние. В этом
положении к ионному каналу оказывается обращенным участок
глобулы, специфически связывающий калий, поступающий из
окружающей среды. Исходное конформационное состояние глобулы
обеспечивает присоединение к ней новых молекулы АТФ и иона натрия
в соответствующих центрах. Начинается следующий цикл работы
ионного насоса — в результате гидролиза АТФ высвобождается
энергия, обеспечивающая поворот глобулы. Ион натрия обращается к
каналу, а ион калия — к цитоплазме; потеря способности удерживать
эти ионы приводит вновь к высвобождению натрия в среду, а калия —
в цитоплазму. Электрический заряд на* мембране при этом не меняется.
Na+/K+ АТФ-аза обнаружена в мембранах клеток многих животных
организмов. Что касается растений, то все более очевидно присутствие
в их мембранах подобных насосов. Профессором Д. Б. Вахмистровым
достоверно показана работа Na+/K+ помпы в клетках галофитов —
растений, приспособленных к жизни в условиях засоления, что,
вероятно, связано с необходимостью откачивать из клеток избыток
натрия. Возможно, Na+/K+ АТФ-аза активируется растительными
клетками и в других крайних условиях, когда подавляется деятельность
активных механизмов другого рода.
Работа электрогенного насоса заключается в том, что он переносит
ион определенного заряда только в одну сторону, поэтому за счет его
работы происходит генерация электрического потенциала на мембране.
Образующаяся таким образом электродвижущая сила обеспечивает
перемещение ионов путем электрофореза. Универсальным для всех
клеток механизмом подобного рода является протонная помпа (рис.
23). Встроенный в плазмалемму (и другие мембраны) белок, состоящий
из нескольких субъединиц, осуществляет выброс протонов водорода за
счет энергии гидролизуемой АТФ — первично активный транспорт. В
результате этого на мембране генерируется градиент электрического
(Ду) и концентрационного (△ pH) потенциалов. Электрический градиент
обеспечивает движение в клетку катионов. Концентрационный
градиент протонов определяет их осмотический отток в клетку с
помощью перенос-
Рис. 23. Роль протонного насоса в транспорте веществ через мембрану: первично активный
транспорт: 1 — протонный насос; вторично активный транспорт: 2— симпорт; 3 — антипорт; 4 —
котранспорт органических веществ
чиков. Этот обратный ток протонов может быть сопряжен с
однонаправленным транспортом анионов {симпорт), противоположно
направленным током катионов {антипорт), а также совместным
движением органических молекул {котранспорт). Таким образом,
потоки ионов и молекул в клетке опосредованы деятельностью
протонной помпы и поэтому могут считаться вторично активным
транспортом.
1.4. РАЗДРАЖИМОСТЬ И РЕАКЦИЯ КЛЕТКИ
НА ПОВРЕЖДАЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
Мы рассмотрели молекулярные, структурные и физиологические
основы жизнедеятельности растительной клетки. Жизнь клетки
протекает в постоянном взаимодействии с окружающей средой,
изменения в которой не могут не отражаться на функциональном
состоянии клетки. В определенном диапазоне действия внешнего
фактора уровень клеточных функций меняется градуально. Если же
изменения превышают обычную норму, то внешний агент становится
раздражителем. Раздражитель — это внешнее воздействие, достигшее
пороговой силы. Способность живых структур отвечать на действие
раздражителя называется раздражимостью.
В качестве раздражителей может выступать любой вид энергии —
механическая, химическая, электрическая, световая, тепловая. Сила
ответной реакции, эффект раздражения, определяется количеством
раздражения — произведением силы раздражителя на время его
действия. Таким образом, слабый агент, если он действует достаточно
долго, может оказывать такое же действие, как и сильный. Другим
важным свойством раздражимости является суммация раздражения.
Отдельные внешние воздействия различной напряженности могут
суммироваться, достигая порогового значения. Демонстрирует
суммацию раздражения следующее простое явление. Усик вьющегося
растения совершает в воздухе колебательные движения. Если подвести
к нему палочку, то вначале он, столкнувшись с ней, отталкивается
несколько раз. Когда в результате столкновений происходит суммация
раздражения и достигается пороговая сила, возникает ответная реакция
и усик обвивается вокруг опоры.
Явления суммации раздражения имеет большое приспособительное
значение. Если бы каждое слабое воздействие вызывало ответную
реакцию, то этих реакций было бы бесчисленное множество и организм
тратил бы слишком много энергии непроизводительно. Суммация
раздражения позволяет экономно расходовать энергию, затрачивая ее
лишь в ответ на раздражитель достаточной силы.
Русский физиолог Н. В. Введенский впервые отметил единство
признаков возбуждения и повреждения (1901). В дальнейшем эта мысль
была развита учеными Д. Н. Насоновым и В. Я. Александровым, и их
исследования приобрели широкую известность. Ими было установлено,
что в ответ на раздражители и повреждающие агенты в клетке
возникают неспецифические (не зависящие от природы действующего
агента) изменения, которые проявляются рядом ответных реакций.
Реакции эти следующие.
Уменьшение степени дисперсности цитоплазмы («оструктуривание»). Рассматривая в световой микроскоп растительную клетку при
малом и среднем увеличениях, мы не' видим цитоплазмы из-за высокой
степени дисперсности последней. Стоит, однако, чем-либо
подействовать на клетку — уколоть, добавить гипертонический
раствор, подействовать электрическим током, как цитоплазма сразу
станет заметной, так как размеры составляющих ее частиц увеличатся.
Увеличение общей проницаемости. При повреждающем воздействии из клетки в окружающую среду выходят самые разнообразные
вещества, которые в неповрежденной клетке прочно удерживаются: чем
сильнее увеличивается проницаемость, тем больше степень
повреждения. На этом основаны методы диагностики устойчивости к
морозу, засухе и другим неблагоприятным факторам среды (табл. 9).
9. Экзосмос электролитов из тканей узлов кущения растений озимой пшеницы,
различающихся по морозоустойчивости (по Э. А. Барашковой и др., 1983)
Сорт
Тормовчанка
Лютесценс 1060/10
Московская озимая
РПГ 51/49
Безостая 1
Лада
Гектор
Морозоустойчивость по
методу прямого
промораживания
Экзосмос электролитов после промораживания (% от экзосмоса из непромороженных растений)
Выше средней
То же
264
367
378
579
500
501
603
Средняя
Слабая
ъ
Подвергнутые воздействию повреждающего агента растительные
ткани погружают в бидистиллированную воду, после чего анализируют
состав образовавшегося раствора.
Повышение у цитоплазмы и ядра сродства к витальным (прижизненным) красителям. На этом показателе основан способ определения жизнеспособности семян.
Неспецифичность ответных реакций на раздражители и повреждающие агенты разного рода связана с общими изменениями в
структуре клеточных белков. Любой из внешних факторов, достигших
пороговой силы, нарушает слабые связи, поддерживающие
специфическую конформацию молекул. Упрощение структуры,
«развертывание» глобулы представляет собой денатурацию, которая
может быть обратимой или необратимой (коагуляция). Раскручивание
белковых глобул приводит к уменьшению дисперсности цитоплазмы,
повышению вязкости, сродства к красителям, дестабилизации мембран.
Последнее обстоятельство ярко проявляется еще в одной
неспецифической реакции клетки: при действии раздражителя и
повреждающего фактора МП падает. Как нам уже известно, МП
генерируется и поддерживается прижизненными структурными и
функциональными свойствами клетки и обеспечивается непрерывной
выработкой метаболической энергии. При достижении внешним
агентом пороговой силы МП начинает снижаться, иногда происходит
перезарядка мембраны — поверхность клетки негативируется. Падение
МП — хороший показатель повреждения. Так, при действии ядом
цианидом на колеоптили овса МП упал с —119 до —42 мВ; в отсутствие
кислорода МП гипокотиля вигны составил лишь —40 мВ, тогда как в
контрольных условиях он был равен —111 мВ.
В ответ на сильное раздражение (механическое, химическое,
температурное, электрическое, фото- и радиостимулы) может
возникнуть другая биоэлектрическая реакция — потенциалы действия
(ПД). Они зарегистрированы у растений тыквы, гороха, фасоли,
кукурузы, подсолнечника, свеклы и др. Суть этого явле-
Рис. 24. Потенциалы действия при
раздражении 0,1М КС1 базипетальной (
------- ) и акропетальной ( --------- ) частей
стебля подсолнечника (по И. И. Гулару и
др., 1970)
Рис. 25. Динамика выделения веществ,
вязкости цитоплазмы и движения
сферосом в клетках колеоптилей ячменя
при температуре 40 °C (по
П. С. Беликову и др., 1964):
1 — выделение веществ; 2 — вязкость цитоплазмы; 3 — движение сферосом
ния в следующем. При резком изменении какого-либо фактора
увеличивается ионная проводимость мембраны; за счет входящего в
клетку кальция происходит деполяризация мембраны, при этом
внешняя поверхность может стать отрицательной по отношению к
внутренней. Затем за счет выходящего ионного тока калия потенциал
возвращается к исходному уровню. Возбужденный участок мембраны
сам становится источником возбуждения для соседнего участка, где
повторяются уже описанные двухфазные изменения. Потенциалы как
бы бегут вдоль мембраны (рис. 24). Так возникает и распространяется
ПД, с помощью которого по растению передаются сигналы о
происходящих во внешней среде изменениях. После достижения ПД
какого-либо органа наступает ответная физиологическая реакция.
Особенно хорошо она проявляется у «чувствительных» растений.
Например, у мимозы вслед за механическим раздражением листа регистрируется ПД, который, достигая листовой подушечки, вызыва
ет в ней изменения тургора, что, в свою очередь, приводит к опусканию
листочков. Но не только у подобных растений ПД вызывает
физиологический эффект. В Московской сельскохозяйственной
академии им. К. А. Тимирязева профессором П. С. Беликовым (1964)
было показано, что раздражение корней растений пшеницы
концентрированными солями или высокой температурой генерируют
ПД, который, распространяясь, достигает листа. Этот сигнал вызывает
изменения фотосинтетической активности.
Не только биопотенциалы, но и другие показатели при действии
раздражителей изменяются волнообразно, двухфазно. Так, сразу же
после начала теплового воздействия вязкость цитоплазмы сначала
уменьшается, а уже затем увеличивается; скорость движения
цитоплазмы сначала возрастает, а потом снижается; выход веществ из
клетки изменяется волнообразно (рис. 25).
Колебательный характер ответных реакций объясняется тем, что при
действии на клетку раздражителя в ней одновременно наблюдается
несколько функциональных состояний (альтераций) — повреждение,
возбуждение, закалка, репарация. Повреждение выражается в
нарушении структуры и функций клетки.
Возбуждение приводит к активации клеточной деятельности, в результате чего возникает закалка — действие
раздражителя
воспринимается
в
меньшей степени. На фоне закалки
происходит восстановление исходных
структур и функций — репарация.
Клетка адаптируется к данному уровню
внешнего фактора. Перечисленные
процессы
имеют
разную
направленность и противоречивый
характер.
В
результате
их
взаимодействия переход клетки из
одного состояния в другое не бывает
плавным, а представляет собой
колебательный процесс.
Характерными
особенностями
временного
хода
колебательного
процесса являются время наступления
ответной реакции, амплитуда и длина
волны. Уровень каждого из
Рис. 26. Биоэлектрические реакции проростков
озимой пшеницы на температурное раздражение
корпя (по И. И- Гунару и др., 1972):
1—
при 60 'С (10 с); II — при 2 ‘С (непрерывно);
1
— Ульяновка; 2 — Безостая 1
этих параметров может служить
критерием силы повреждения. Эти
параметры могут быть использованы
ос
для диагностики устойчивости к различным воздействиям. Чем раньше
наступает ответная реакция и больше ее амплитуда, тем более уязвим
объект. В качестве примера приведем данные профессора И. И. Гунара
(1972) — одного из первых исследователей биоэлектрических явлений
у растений в нашей стране. Исследовали биоэлектрическую реакцию
растений морозоустойчивого сорта озимой пшеницы Ульяновка и
слабоустойчивого к морозу сорта Безостая 1. Оказалось, что под
воздействием резких колебаний температуры у неустойчивого сорта
возникают быстрые и резкие колебания потенциалов; устойчивый сорт
реагирует слабее (рис. 26).
В этом разделе мы сосредоточили свое внимание на неспецифических реакциях растительной клетки. В то же время в растительном
организме проявляется множество специфических изменений на
стрессоры различной природы. Об этих специфических реакциях будет
рассказано при рассмотрении вопросов устойчивости растений к
неблагоприятным факторам среды.
Итак, все живые системы обладают свойством раздражимости,
которое позволяет им воспринимать изменения во внешней среде и
реагировать на них структурными и функциональными перестройками.
Под действием раздражителей в клетке в первую очередь возникают
изменения в нативной структуре белков и состоянии биологических
мембран. Уровень ответных реакций и характер их временного хода
может использоваться для диагностики функционального состояния
растений и их устойчивости к стрессорам.
1.5. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Живая клетка, как и организм в целом, состоит из тех же химических
элементов и подчиняется тем же общим законам, что и неживая
природа. Однако живые структуры отличаются от неживых
уникальными особенностями своего существования. Одним из
важнейших условий, обеспечивающих жизнь, является способность к
внутренней регуляции клеточных процессов. Существует несколько
систем регулирования. Их совместная деятельность приводит к
быстрым,
направленным
и
экономичным
перестройкам,
обеспечивающим поддержание гомеостаза и оптимальный уровень
функций в условиях непостоянной внешней среды при выполнении
наследственной программы.
Системы эти следующие.
Генетическая. Обеспечивает включение и выключение отдельных
генов, ответственных за синтез специфических белков, и
осуществляется за счет уникальной структуры ДНК и саморегуляции ее
деятельности (см. 1.2.5.).
Трофическая. Реализуется с помощью химических веществ,
продуктов метаболизма. Они могут использоваться как источники для
синтетического и энергетического обмена, а также выполнять в клетке
«тонкую настройку», выступая как регуляторы ферментативной
активности (см. 1.2.З.).
Энергетическая. Выполняется системами, ответственными за
новообразование энергоемких молекул, прежде всего АТФ (см. 1.2.4.),
способных снабжать энергией все виды работ в клетке.
Гормональная регуляция — один из самых тонких механизмов
структурных и функциональных изменений. О специфических
веществах — гормонах — и принципах гормонального регулирования
процессов жизнедеятельности будет рассказано в разделе «Рост и
развитие растений».
Все регуляторные системы работают не только в отдельной клетке,
но и на уровне многоклеточного организма, обеспечивая динамическое
взаимодействие частей, надежность и целостность сложной живой
системы.
Контрольные вопросы и задания
1. Как осуществляется обмен растительной клетки с окружающей средой веществом,
энергией и информацией? 2. Что является структурной основой любой клетки? Каковы
отличия растительной клетки от животной? 3. Каков средний химический состав
цитоплазмы растительных клеток? Какие важнейшие в структурном и функциональном
отношении вещества относятся к полимерам? 4. Какие основные свойства клеточных белков
обеспечивают им приоритетное участие в главных функциях? 5. В чем состоит принцип
действия ферментов? Чем определяется их высокая активность, специфичность и
лабильность? 6. Каким образом регулируется уровень ферментативной деятельности в
клетке? 7. Назовите главнейшие принципы, обеспечивающие функции нуклеиновых кислот.
8. Как используется тотипотентность всех клеток организма в биотехнологических целях?
Что такое генная инженерия? 9. Каковы основные этапы биосинтеза белка и принципы
регуляции этого процесса? 10. В чем состоят современные представления о структуре
биологических мембран? 11. На чем основаны механизмы пассивного и активного
транспорта веществ в клетке? 12. Как используется клеточная проницаемость для
диагностики состояния растения? 13. Перечислите общие (неспецифические) реакции
клетки на повреждающие воздействия. 14. Как можно использовать биоэлектрические
явления для оценки устойчивости растения к стрессорам?
Глава 2
ФОТОСИНТЕЗ
•
2.1.
ФОТОСИНТЕЗ КАК ОСНОВА ЭНЕРГЕТИКИ БИОСФЕРЫ
2.1.1.
ПЛАНЕТАРНАЯ РОЛЬ ФОТОСИНТЕЗА
Фотосинтез, возникнув на первых этапах эволюции жизни, остается
важнейшим процессом биосферы. Человечество все больше осознает
истину, впервые установленную К. А. Тимирязевым и В. И.
Вернадским, что именно зеленые растения посредством фотосинтеза
обеспечивают космическую связь жизни на Земле с Вселенной и
определяют экологическое благополучие биосферы вплоть до
возможности существования человеческой цивилизации. Фотосинтез
— это не только источник пищевых ресурсов и полезных ископаемых,
но и фактор сбалансированности биосферных процессов на Земле,
включая постоянство содержания кислорода и диоксида углерода в
атмосфере, состояние озонового экрана, содержание гумуса в почве,
парниковый эффект и т. д.
• Глобальная чистая продуктивность фотосинтеза составляет 78-108 т
углерода в год, из которых 7 % непосредственно используют на
питание, топливо и строительные материалы. В настоящее время
потребление ископаемого топлива приблизительно сравнялось с
образованием биомассы на планете. Ежегодно в ходе фотосинтеза в
атмосферу поступает 70—120 млрд т кислорода, обеспечивающего
дыхание всех организмов. Одним из важнейших последствий
выделения кислорода является образование озонового экрана в верхних
слоях атмосферы на высоте 25 км. Озон (Оз) образуется в результате
фотодиссоциации молекул Оз под действием солнечной радиации и
задерживает большую часть ультрафиолетовых лучей, губительно
действующих на все живое.
Существенным фактором фотосинтеза является также стабилизация
содержания СОг в атмосфере. В настоящее время содержание СО2
составляет 0,03 % по объему воздуха, или 711 млрд т в пересчете на
углерод. Дыхание организмов, Мировой океан, в водах которого
растворено в 60 раз больше СО2, чем находится в атмосфере,
производственная деятельность людей, с одной стороны, фотосинтез —
с другой, поддерживают относительно постоянный уровень СО2 в
атмосфере. Диоксид углерода в атмосфере, а также вода поглощают
инфракрасные лучи и сохраняют значительное количество теплоты на
Земле, обеспечивая необходимые условия жизнедеятельности.
Однако за последние десятилетня из-за возрастающего сжигания
человеком ископаемого топлива, вырубки лесов и разложения гумуса
сложилась ситуация, когда технический прогресс сделал баланс
атмосферных явлений отрицательным. Положение усугубляется и
демографическими проблемами: каждые сутки на Земле рождается 200
тыс. человек, которых нужно обеспечить жизненными ресурсами. Эти
обстоятельства ставят изучение фотосинтеза во всех его проявлениях,
от молекулярной организации процесса до биосферных явлений, в ранг
ведущих проблем современного естествознания. Важнейшие задачи —
повышение фотосинтетической продуктивности сельскохозяйственных
посевов и насаждений, а также создание эффективных биотехнологий
фототрофных синтезов.
2.1.2.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ФОТОСИНТЕЗА
И ГЛАВНЫЕ ЭТАПЫ ЕГО ИЗУЧЕНИЯ
Процесс фотосинтеза выражают суммарным уравнением
СО, + Н,О --------т—► {СН,О} + о,,
2
2
хлорофилл 2
2
в котором выражена суть явления, состоящая в том, что на свету в
зеленом растении из предельно окисленных веществ — диоксида
углерода и воды образуются органические вещества и высвобождается
молекулярный кислород. Фотосинтез — это процесс трансформации
поглощенной энергии света в химическую энергию органических
соединений. Причем в процессе фотосинтеза восстанавливаются не
только СО2, но и нитраты или сульфаты, а энергия может быть
направлена на различные эндергонические процессы, в том числе на
транспорт веществ.
С древних времен растение привлекало внимание человека. Догадка
о
существовании
фотосинтеза
намного
опередила
его
экспериментальное изучение. Так, еще в 1727 г. английский ботаник
Стивен Гейлес высказал предположение, что на свету растения
усваивают пищу из воздуха. Сходную идею о воздушном питании
растений высказал несколько позже М. В. Ломоносов (1753).
Начало экспериментального изучения фотосинтеза принято
датировать 1771 г. и связывать с именем английского химика Джозефа
Пристли, который обнаружил, что зеленое растение мяты способно
поддерживать горение свечи или дыхание мыши под стеклянным
колпаком. В то время еще не был известен состав воздуха, но этими
опытами было четко показано, что в зеленом растении идет процесс,
обратный дыханию или горению. Несколько позже был открыт
кислород. Однако феномен «исправления» воздуха зеленым растением
не всегда воспроизводился в опытах самого Пристли и других
исследователей. В 1779 г. голландский врач Ян Ингенхауз, который
работал в Австрии, показал, что все зависит от света. Зеленые растения
выделяют кислород только на ярком свету. В темноте они, как и
животные, поглощают кислород.
Крупный вклад в изучение фотосинтеза сделали швейцарские
естествоиспытатели. В 1782 г. Жан Сенебье показал, что выделение
СО2 происходит лишь в случае, если растение поглощает СО2.
Необходимость участия воды в фотосинтезе была установлена в 1804 г.
Т. Соссюрой.
Французские химики П. Ж. Пельтье и Ж. Каванту в 1817 г. выделили
из листьев зеленый пигмент и назвали его хлорофиллом (от греч. chloros
— зеленый и phyllon — лист), который, как выяснилось позднее,
находится в хлоропластах. В 1865 г. немецкий физиолог растений
Юлиус Сакс продемонстрировал, что в листьях на свету образуется
крахмал, который локализуется в хлоропластах.
Роль света начали изучать с середины XIX в. Великий русский
естествоиспытатель К. А. Тимирязев в 1875 г. сформулировал учение о
космической роли зеленого растения: лист — уникальный орган, в
котором солнечная энергия улавливается и остается на Земле,
трансформируясь в другие формы энергии; процесс подчиняется закону
сохранения и превращения энергии; интенсивность ассимиляции СО2
максимальна при освещении листа красным светом, который в
наибольшей степени поглощается хлорофиллом; хлорофилл служит
фотосенсибилизатором, он непосредственно участвует в окислительновосстановительных превращениях. Только в 1877 г. немецким
физиологом Пфеффе- ром этот процесс был назван «фотосинтез», т. е. с
начала изучения до его названия прошло более 100 лет, а простое
суммарное уравнение фотосинтеза явилось плодом коллективного
труда, работы нескольких поколений ученых разных стран. Тем не
менее суммарное уравнение, выражая суть процесса, оставляет неясным
многие вопросы механизма трансформации солнечной энергии в
химическую. Потребовалось еще столетие, чтобы приблизиться к
пониманию этого процесса. Экспериментальные доказательства того,
что кислород при фотосинтезе освобождается из воды, а не из диоксида
углерода, были получены в 1941 г. независимо в СССР и США. А. П.
Виноградов и Р. В. Тейс с помощью масс-спектрометрического анализа
показали, что отношение 16О:18О в кислороде, выделяющемся при
фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воде.
В опытах с мигающим светом, проведенных в России (А. А. Рихтер,
1914) и США (Р. Эмерсон и У. Арнольд, 1932, 1941), установлено
существование двух фаз фотосинтеза. Оптимальное время световой
вспышки оказалось 10~5 с, темнового периода — 0,04—0,06 с.
Эффективность импульсного света объясняется наличием в
фотосинтезе темновых энзиматических реакций, которые идут более
медленно, чем фотохимические процессы. Об этом свидетельствует и
тот факт, что для интенсивности фотосинтеза при оптимальном
освещении и температуре 15—25 °C величина С?ю равна 2,0—2,5, т. е.
соответствует
энзиматическим
процессам.
Следовательно,
интенсивность фотосинтеза определяется скоростью его химических
(темновых) реакций.
Окончательно вопрос о двухэтапности фотосинтеза был решен
американским физиологом и биохимиком Д. Арноном. В 1954—1958 гг.
на хлоропластах листьев шпината было показано, что под действием
света в гранах происходит восстановление НАДФ и образование АТФ,
в строме эти соединения используются в темновых реакциях для
восстановления COj. Этот уровень знаний процесса фотосинтеза можно
представить следующей схемой:
Свет
Детальное изучение световой и темновой фаз, их структурной и
функциональной организации, регулирования в растении и зависимости
от факторов среды лежит в основе разработки способов управления
продукционным процессом.
2.2. ЛИСТ КАК ОРГАН ФОТОСИНТЕЗА
В процессе эволюции растений сформировался специализированный
орган фотосинтеза — лист. Приспособление его к фотосинтезу шло в
двух направлениях: возможны более полное поглощение и запасание
лучистой энергии и эффективный газообмен с атмосферой.
Рассмотрим, как складывается энергетический баланс листа в
умеренной зоне (рис. 27). В летний полдень приход солнечной радиации
составляет около 30-105 Дж/(м2-ч). В среднем листья
поглощают 80—85 %
энергии
фотосинтетически активной радиации
(ФАР), которой является
видимая часть спектра
электромагнитного
излучения с длиной
волны 400— 700 нм, и 25
% энергии инфракрасных
лучей, что составляет
около 55 % энергии
общей радиации,
или
16,5-105 Дж/(м2-ч). Лист
отражает 10 % ФАР и 45
% инфракрасных лучей и
пропускает
соответственно 5 и 30 %.
На фотосинтез используется 1,5—2 %
поглощенной
фотосинтетически активной
радиации,
остальная
Рис. 27. Энергетический баланс листа растений
поглощенная
энергия
расходуется в основном
на испарение воды — транспирацию (95— 98 %), возможен также и
теплообмен с атмосферой.
Лист имеет ограниченный рост и характерное для данного вида и
сорта строение. Как орган, осуществляющий ассимиляцию и
испарение, он отличается плоской структурой и небольшой толщиной,
измеряемой долями миллиметра. Благодаря этому при малых затратах
строительного
материала
создается
значительная
общая
поглощающая поверхность листьев. Так, сухая масса 1 м2 листовых
пластинок составляет 30—40 г. Тонкая листовая пластинка лучше
просвечивается, что способствует полноценной работе всех клеток
листа.
Толщина листа тесно коррелирует с интенсивностью света, ( при
которой он развивается. При ограниченном освещении тол- j щина
листовой пластинки меньше. При детальном рассмотрении I
поверхность листа выглядит волнистой, что увеличивает полноту <
улавливания солнечных лучей.
Листовая поверхность достигает значительных размеров и
превосходит площадь почвы, которую занимает растение. Для
характеристики размеров фотосинтетического аппарата используют
индекс листовой поверхности (L), который рассчитывают как
площадь листьев (м2), приходящуюся на 1 м2 почвы. Для сельскохозяйственных растений умеренной зоны средние значения
листового индекса 3—5, в южных широтах с влажным климатом
Рис. 28. Поперечный разрез листа подсолнечника
до 8—10. Например, поверхность листьев 1 га посевов зерновых
культур в фазе цветения достигает 20—40 тыс. м2, у низкорослых
яблонь во время вегетации площадь листьев составляет 25— 30 тыс.
м2/га.
Благодаря большой поверхности и определенному размещению
листьев в пространстве растение может использовать как прямой, так и
рассеянный свет, падающий под различными углами. Большое значение
для эффективного улавливания света имеет архитектоника растений,
под которой понимают пространственное расположение органов. У
высокопродуктивных зерновых культур листья на стебле снизу вверх
располагаются под все уменьшающимся углом и не затеняют друг
друга. Свекла отличается от своих диких предков воронковидным
расположением листьев, для нее листовой индекс может достигать 6, у
дикорастущих форм с распластанными на поверхности почвы листьями
— 1—2. Оптимизация листовой поверхности посева или насаждения —
важный способ управления продукционным процессом.
В зависимости от вида растений и условий их произрастания листья
отличаются большим разнообразием. Однако можно выделить общие
анатомические
особенности,
обеспечивающие
возможность
эффективного фотосинтеза (рис. 28).
1. Наличие покровной ткани — эпидермиса, защищающего лист от
излишней потери воды. Клетки нижнего и верхнего эпидермиса лишены
хлоропластов, имеют крупные вакуоли, которые, подобно линзам,
фокусируют свет на расположенную глубже хлорофиллоносную ткань.
Деятельность клеток мезофилла основана не только на их хорошем
освещении, она зависит также от поступления СО2. Нижний эпидермис,
реже и верхний, имеют большое количество устьиц. Щели открытых
устьиц занимают примерно 1 % площади листовой пластинки,
диффузия СОз внутрь листа идет через них сравнительно быстро.
Отдельное устьице позволяет за I с поступить в лист 2500 млрд молекул
СОг- Поверхность листа поглощает СОг только в 1,5—2 раза меньше,
чем открытая поверхность щелей той же площади, хотя открытые
устьица составляют лишь сотую часть поверхности. Такая высокая
скорость связана с особенностями диффузии газов через мелкие
отверстия, находящиеся на значительном расстоянии друг от друга, за
счет краевого эффекта. (Подробнее вопросы функционирования устьиц
рассмотрены в разделе «Водообмен растений».)
2. Наличие специализированной фотосинтетической ткани —
хлоренхимы. Основная хлорофиллоносная ткань — палисадная
паренхима — расположена обычно на освещаемой части листа.
Вытянутость клеток и перпендикулярное расположение их к
эпидермису обеспечивают увеличение поверхности, вдоль которой
могут располагаться хлоропласта, не затеняя друг друга, а также
облегчают отток ассимилятов. В каждой клетке полисад- ной
паренхимы находится 30—40 хлоропластов. Губчатая ткань
характеризуется меньшим содержанием хлоропластов (примерно 20 на
клетку) и сильно развитой системой межклетников. Объем
межклетников составляет 15—20 % общего объема листа и образует
внутреннюю газовую среду, которая при помощи устьичных щелей
сообщается с атмосферой. За счет межклетников значительно
возрастает внутренняя рабочая поверхность, через которую каждой
клеткой паренхимы поглощается СО2. Она в 8—12 раз больше, чем
наружная
поверхность
листа. Хлоропласта как
основные
светоулавливающие органеллы еще в большей степени увеличивают
светопоглощающую поверхность листа. На 1 см2 листа приходится
примерно 200 см2 поверхности хлоропластов.
1 га посева -» 5 га площадь листьев -> 50 га поверхность
межклетников -» 1000 га поверхность хлоропластов.
Таким образом, 1 га посева, который испаряет воды не больше, чем
открытая водная поверхность такой же площади, имеет 50 га
поверхности, поглощающей СО2, и 1000 га светоулавливающей
поверхности
хлоропластов.
Это
является
выражением
общебиологической особенности организации — создание больших
внутренних рабочих поверхностей при сравнительно малых наружных
испаряющих площадях за счет, как было отмечено, затрат небольших
количеств материала.
3. Наличие сильно развитой густой системы жилок — проводящих
путей, что обеспечивает быстрый отток ассимилятов и снабжение
фотосинтезирующих клеток водой и необходимыми минеральными
веществами.
В зависимости от внешних условий, при которых происходят
формирование и функционирование листьев, анатомическое строение
их может существенно различаться. Листья, формирующиеся в
условиях недостаточной влагообеспеченности, имеют ксероморфную
структуру. В зависимости от освещения меняется соотношение между
полисадной и губчатой паренхимой в мезофилле. Имеются и другие
приспособления для функционирования листа в определенных
условиях. Еще более существенные отклонения от типичного строения
листа связаны с физиологобиохимическими особенностями фиксации
СО2 у С4-растений, к которым относятся кукуруза, сахарный тростник,
ряд злостных сорняков наших полей.
2.3. ХЛОРОПЛАСТЫ, ИХ СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ
Лист растения — орган, обеспечивающий условия для протекания
фотосинтетического процесса. Функционально же фотосинтез
приурочен к специализированным органеллам — хлоропластам.
Хлоропласты высших растений имеют форму двояковыпуклой линзы
(диска), которая наиболее удобна для поглощения солнечных лучей. Их
размеры, количество, расположение в клетке также полностью
отвечают назначению: как можно эффективнее поглощать солнечную
энергию, как можно полнее усваивать углерод. На различных
сельскохозяйственных объектах установлено, что количество
хлоропластов в клетке измеряется десятками. Это обеспечивает высокое
содержание этих органелл на единицу поверхности листа. Так, на I мм2
листа фасоли приходится 283 тыс. хлоропластов, у подсолнечника —
465 тыс. Диаметр хлоропластов в среднем 0,5—2 мкм, длина 5—10 мкм,
объем 30— 40 мкм3. Малый размер хлоропластов и большое количество
их в одной клетке обусловливают громадную общую суммарную рабочую поверхность.
Хлоропласты способны к активным движениям — изменению
ориентации тела и перемещению в пространстве. Скорость движения
хлоропластов около 0,12 мкм/с. Их передвижения вызываются
физическими и химическими факторами. Например, под влиянием
яркого света хлоропласты поворачиваются узкой стороной диска к
падающим лучам и перемещаются на боковые стенки клеток.
Хлоропластам присуща также хемотаксическая чувствительность —
они передвигаются в направлении более высокой концентрации СО2 в
клетке. Установлен и эндогенный
суточный ритм движения хлоропластов: днем они обычно выстраиваются вдоль стенок, ночью опускаются на дно клетки.
Состав хлоропластов. Изучение химического состава хлоропластов стало возможным благодаря методу дифференциального
центрифугирования, позволяющему выделить из гомогената ткани
фракции определенных органелл. Величина центробежной силы,
необходимая для осаждения, зависит от массы частиц. Хлоропласты
из экстракта протопластов осаждаются при 250 g в течение 1 мин.
Большое значение имеет состав среды выделения. Использование для
этих целей забуференного раствора сорбита предотвращает
вымывание водорастворимых белков и позволяет сохранить нативную
структуру, состав и функциональную активность хлоропластов.
Химический состав хлоропластов достаточно сложен и характеризуется высоким содержанием воды (75 %). Около 75—80 %
общего количества сухих веществ приходится на долю различных
органических соединений, 20—25 % — на долю минеральных веществ. Структурной основой хлоропластов являются белки, содержание которых достигает 50—55 % сухой массы, примерно
половину из них составляют водорастворимые белки. Такое высокое
содержание белков объясняется их многообразными функциями в
составе хлоропластов. Это структурные белки, являющиеся основой
мембран, белки-ферменты, транспортные белки, поддерживающие
определенный ионный состав, отличающийся от цитозоля,
сократительные белки, подобные актомиозину мышц, которые
обеспечивают двигательную активность хлоропластов. Белки
выполняют также рецепторную функцию, принимая участие в
регуляции интенсивности фотосинтеза в меняющихся условиях
внутренней и внешней среды.
Важнейшей составной частью хлоропластов являются липиды,
содержание которых колеблется от 30 до 40 % сухой массы. Липиды
хлоропластов представлены тремя группами соединений.
1. Структурные компоненты мембран, которые представлены
амфипатичными липоидами и отличаются высоким содержанием
(более 50 %) галактолипидов и сульфолипидов. Фосфолипидный
состав характеризуется отсутствием фосфатидилэтаноламина и
высоким содержанием фосфатидилглицерина (более 20 %). Свыше 60
% состава жирных кислот’приходится на линолевую кислоту.
2. Фотосинтетические пигменты. В отличие от водорастворимых
пигментов клеточного сока пигменты хлоропластов характеризуются
повышенным сродством к гидрофобным растворителям и относятся к
липоидам. Высшие растения содержат две формы зеленых пигментов:
хлорофилл а и хлорофилл b и две формы желтых пигментов: каротины
и ксантофиллы (каротиноиды). Ведущую роль в фотосинтезе —
фотосенсибилизацию — выполняет хлорофилл а, другие пигменты
расширяют спектр действия фотосинтеза за счет более полного поглощения ФАР, каротиноиды
защищают хлорофилл от фотоокисления, участвуют в транспорте
кислорода, образующегося при фотолизе воды.
97
3. Жирорастворимые витамины — эргостерол (провитамин D),
витамины Е, К сосредоточены практически целиком в хлоропластах,
где участвуют в преобразовании световой энергии в химическую. В
цитозоле клеток листа в основном находятся водорастворимые
витамины. Так, у шпината содержание аскорбиновой кислоты в
хлоропластах в 4—5 раз меньше, чем в листьях.
Н. М. Сисакян обнаружил в хлоропластах листьев сахарной свеклы
значительные количества нуклеиновых кислот, причем наряду с РНК
им впервые установлено присутствие в хлоропластах ДНК. По
современным данным, нуклеиновые кислоты составляют примерно 1
% сухой массы хлоропластов (РНК — 0,75 %, ДНК — 0,01—0,02 %).
Таким
образом,
хлоропласты
имеют
собственную
белоксинтезирующую систему. Его геном представлен кольцевой
молекулой ДНК длиной 40 мкм с молекулярной массой 108,
кодирующей 100—150 белков средних размеров. Рибосомы
хлоропластов составляют от 20 до 50 % общей популяции рибосом
клетки. Они относятся к 70 5-типу с субъединицами 50 и 30 S.
Под контролем ДНК хлоропласта синтезируются большая
субъединица ключевого фермента темновой фазы фотосинтеза —
рибулезодифосфаткарбоксилазы, три из пяти субъединиц фактора,
сопрягающего поток электронов с синтезом АТФ, цитохром f около 12
мембранных белков и 80 растворимых белков, выполняющих в
основном ферментативную функцию. Однако для нормального
функционирования хлоропластов необходимо взаимодействие
ядерного и хлоропластного геномов. Например, у ячменя обнаружено
86 различных ядерных генов, контролирующих определенные звенья
развития хлоропластов. Ключевой фермент фотосинтеза РДФкарбоксилаза синтезируется под двойным контролем — ДНК ядра и
хлоропласта.
Углеводы не являются конституционными веществами хлоропласта. В очень небольших количествах фосфорные эфиры сахаров
участвуют в восстановительном цикле углерода, в основном же это
продукты фотосинтеза. Поэтому содержание углеводов в
хлоропластах значительно колеблется (от 5 до 50 %). В активно
функционирующих хлоропластах углеводы обычйо не накапливаются, происходит их быстрый отток. При уменьшении потребности в
продуктах фотосинтеза в хлоропластах образуются крупные
крахмальные зерна. В этом случае содержание крахмала может
возрасти до 50 % сухой массы и активность хлоропластов снизится.
Необходимо обратить внимание также на высокое содержание в
хлоропластах минеральных веществ. Сами хлоропласты
98
Строма—Инициальная частица
1мк
ЁпячиВан
ие
м
Пропластид
внутренн
а Крахмальное
ей
зерно
мембран
Пузырьки,
Сбрт Темнота
ы
образующие
ся из
2мкм
Воячиваний
Внутренней
мембраны
1
Образова
ние
Внутренне
й
ламеллярно
й системы
Змк
м
Грана I
Ламвлла *
стромы
РНк
м
Проламелляр
ное тело
Образован
ие ламслл
капля жира
5 мкм
Полностью развитый
хлоропласт
Рис. 29. Онтогенез хлоропластов: слева — при развитии хлоропластов на свету происходит
нормальное образование ламслл стромы; справа — в темноте образуется проламеллярное тело.
(Модифицировано по Фрей Висслингу и Мюлеталеру.)
составляют 25—30 % массы листа, но в них сосредоточено до 80 %
железа, 70—72 — магния и цинка, около 50 — меди, 60 % кальция,
содержащихся в тканях листа. Эти данные хорошо согласуются с
высокой
и
разнообразной
ферментативной
активностью
хлоропластов. Минеральные элементы выступают в роли
простетических групп и кофакторов деятельности ферментов. Магний
входит в состав хлорофилла. Важная роль кальция состоит в
стабилизации мембранных структур хлоропластов.
Возникновение и развитие хлоропластов. Хлоропласты образуются в меристематических клетках из инициальных частиц или
зачаточных пластид (рис. 29). Инициальная частица со
99
стоит из амебоидной стромы, окруженной двухмембранной оболочкой. По мере роста клетки инициальные частицы увеличиваются в
размере и приобретают форму двояковыпуклой линзы, в строме
появляются небольшие крахмальные зерна. Одновременно
внутренняя мембрана начинает разрастаться, образуя складки
(впячивания), от которых отшнуровываются пузырьки и трубочки.
Такие образования называют пропластидами. Для дальнейшего их
развития необходим свет. В темноте же формируются этиопласты, в
которых образуется мембранная решетчатая структура —
проламеллярное тело. На свету внутренние мембраны пропластид и
этиопластов образуют гранальную систему. Одновременно с этим
также на свету в граны встраиваются вновь образованные молекулы
хлорофилла и других пигментов. Таким образом, структуры, которые
подготавливаются к функционированию на свету, появляются и
развиваются только при его наличии.
Наряду с хлоропластами имеется ряд других пластид, которые
образуются либо непосредственно из пропластид, либо одна из другой
путем взаимных превращений (рис. 30). К ним относятся
накапливающие крахмал амилопласты (лейкопласты) и хромопласты,
содержащие каротиноиды. В цветках и плодах хромопласты
возникают на ранних стадиях развития пропластид. Хромопласты
осенней листвы представляют собой продукты деградации
хлоропластов, в которых в качестве структур — носителей
каротиноидов выступают пластоглобулы.
Строение хлоропластов. Строение хлоропласта, обнаруживаемое
с помощью электронного микроскопа, весьма сложное. Подобно ядру
и митохондриям хлоропласт окружен оболочкой, состоящей из двух
липопротеидных мембран. Внутреннюю среду представляет
относительно однородная субстанция — матрикс,
или строма, которую пронизывают . мембраны — ламеллы (рис.
31). Ламеллы, соединенные Друг
с другом, образуют пузырьки —
тилакоиды. Плотно прилегая
друг к другу, тилакоиды образуют
граны, которые различают даже
под световым микроскопом. В
свою очередь, граны в одном или
нескольких местах объединены
друг с другом с помощью межгранных тяжей — тилакоидов
стромы. Пигменты хлоропласта,
участвующие в улавливании
световой энергии, а также
ферменты, необходимые для
Рис. 30. Схема взаимных превращений
пластид
100
Рис. 31. Строение фрагмента хлоропласта:
1 — тилакоид стромы; 2 — тилакоид граны; 3 — ламелла; 4 — строма; 5 — грана
световой фазы фотосинтеза, вмонтированы в мембраны тилакоидов.
Ферменты, которые катализируют многочисленные реакции
восстановительного цикла углерода (темновой фазы фотосинтеза), а
также разнообразные биосинтезы, в том числе биосинтезы белков,
липидов, крахмала, присутствуют главным образом в строме, часть из
них является периферическими белками ламелл.
Строение зрелых хлоропластов одинаково у всех высших растений, так же как в клетках разных органов одного растения (листьях,
зеленеющих корнях, коре, плодах). В зависимости от функциональной
нагрузки клеток, физиологического состояния хлоропластов, их
возраста различают степень их внутренней структурированности:
размеры, количество гран, связь между ними. Так, в замыкающих
клетках устьиц основная функция хлоропластов — фоторегуляция
устьичных движений, энергией этот процесс обеспечивается
высокоструктурированными митохондриями. Хлоропласты не имеют
строгой гранальной структуры, содержат крупные крахмальные зерна,
набухшие тилакоиды, липофильные глобулы. Все это свидетельствует
об их низкой энергетической нагрузке. Другая картина наблюдается
при электронно-микроскопическом изучении хлоропластов зеленых
плодов томата. Наличие хорошо развитой гранальной системы свидетельствует о высокой функциональной нагрузке этих органелл и
вероятном существенном вкладе фотосинтеза при формировании
плодов.
С возрастом строение хлоропластов существенно меняется.
Молодые хлоропласты характеризуются ламеллярной структурой, в
таком состоянии хлоропласты способны размножаться путем деления.
В зрелых хлоропластах хорошо выражена система гран. В стареющих
101
хлоропластах происходит разрыв тилакоидов стромы, связь между
гранами уменьшается, в дальнейшем наблюдаются распад
хлорофилла и деструкция гран. В осенней листве деградация
хлоропластов приводит к образованию хромопластов, в которых
каротиноиды сосредоточены в пластоглобулах.
При выращивании сельскохозяйственных растений следует иметь
в виду, что на структуру хлоропластов, а следовательно, и их
функциональную активность большое влияние оказывает режим
минерального питания растений. При недостатке азота хлоропласты
становятся в 1,5—2 раза мельче, дефицит фосфора и серы нарушает
нормальную структуру ламелл и гран, одновременная нехватка азота
и калия приводит к переполнению хлоропластов крахмалом из-за
нарушения нормального оттока ассимилятов. При недостатке кальция
нарушается структура наружной мембраны хлоропласта. Для
поддержания структуры хлоропласта также необходим свет. В
темноте идет постепенное разрушение тилакоидов гран и стромы.
Таким образом, структура хлоропластов лабильна и динамична, в ней
отражаются все условия жизни растения.
2.4. ПИГМЕНТЫ ХЛОРОПЛАСТОВ
Фотосинтез связан с избирательным поглощением пигментами
света в видимой части солнечного спектра. Фотосинтетические
пигменты составляют 10—15 % сухой массы хлоропластов. Они
характеризуются большим разнообразием и по химической природе
делятся на две группы — хлорофиллы и каротиноиды.
2.4.1.
ХЛОРОФИЛЛЫ
/Состав и структура. В настоящее время известно несколько
различных форм хлорофилла, которые обозначают латинскими
буквами. Хлоропласты высших растений содержат хлорофилл а и
хлорофилл Ь. Они были идентифицированы русским ученым М. С.
Цветом (1906) с помощью разработанного им метода хроматографии.
Структурная формула хлорофилла, предложенная Г. Фишером (1939),
получила окончательное подтверждение в 1960 г. в результате двух
независимо проведенных работ в США и ФРГ по искусственному
синтезу хлорофилла а.
(Хлорофилл — сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирова- на
остатком метилового спирта (СН3ОН), а другая — остатком
одноатомного непредельного спирта фитола (С20Н39ОН):
соосн3
MgN4OH30C32
_ ____ COO С20Н39
хлорофиллин остатки спиртов
На рисунке 32, а дана структурная формула хлорофилла а. Четыре
пиррольных кольца (I—IV) соединены между собой метановыми
мостиками (а, 0, у, е), образуя порфириновое ядро. Атомы азота
пиррольных
колец
четырьмя
координационными
связями
взаимодействуют с атомом Mg. В структуре порфиринового ядра есть
также циклопентановое кольцо, содержащее химически активную
карбонильную группу. Структура, состоящая из тетрапиррольного и
циклопентанового колец, получила название форбина.
Порфириновое кольцо представляет собой систему из девяти пар
чередующихся двойных и одинарных, т. е. конъюгированных, связей
с 18 делокализованными л-электронами. Хлорофилл Ь отличается от
хлорофилла а тем, что у третьего углерода второго пиррольного
кольца вместо метильной находится альдегидная группа. Структура
хлорофилла, лишенная фитола, называется хлорофиллидом. При
замещении атома магния протонами водорода образуется феофитин.
Биосинтез. Существенные сведения о биосинтезе хлорофиллов в
растении были получены благодаря использованию изотопного
метода (|4С, 15N) и сравнительного изучения мутантных растений. Эти
исследования позволили установить, что хлорофиллы и близкие к ним
по
химическим
свойствам
цитохромы
(Fe-порфирины)
характеризуются единым процессом синтеза (см. схему на с. 104).
- Первый этап биосинтеза хлорофиллов у высших растений —
образование 5-аминолевулиновой кислоты (АЛК) из С5-дикарбоновых кислот. Циклизация двух молекул АЛК приводит к образованию пиррольного соединения — порфобилиногена. Из четырех
пиррольных колец формируется уропорфириноген, который
превращается в протопорфирин IX. Дальнейший путь превращений
протопорфирина может быть различным. С участием железа
образуется гем, входящий в состав цитохромов и ряда окислительновосстановительных ферментов. Если в молекулу протопорфирина
включается магний, карбоксильная группа у Сщ эте- рифицируется
метильной группой и замыкается циклопентано-
вое кольцо, то' формируется
СНзН //
',Ь
протохлорофиллид.
ПослеН2С=СН и
I 3 ' с-н,'
дующие превращения прос
тохлорофиллида у высших
растений происходят только на н3с—с
Y П-С2Н5
свету.
N=C
C-N
Решающей предпосылкой
НС
Mg
сн
для
светоиндуцированного
■4 -' S
С—N
N—С
превращения
протохлорофиллида IX в хлорофиллид
является его объединение с
:-сн3
белками в проюхлорофиллидбелковый комплекс. Существенным
компонентом
сн2 НС — с
этого
комплекса
является
сн2
со
протохлорофиллид-оксидореО—ГН 1 Остаток n3 J
дуктаза — фермент, который
с=о метилового спирта
катализирует восстановление
протохлорофиллида в хлорофиллид в результате гидрирон2с
вания двойной связи у С7—Cg
в IV пиррольном кольце. В
сн
качестве источника активиС-СН3
рованного водорода служит
Н С
2
х
сн
2
восстановленный
НАДФ.
Н2С\ нс-сн3
Хлорофиллид обладает теми же
Н2сб
спектральными
свойствами,
сн2
что и хлорофилл.
Н2С\ нс-сн3
Последний этап в формин2сб .сн2
ровании молекулы хлорофилла
Н С
2 \ нс-сн3
а — этерификация фитолом,
Н3СХ
который,
как
и
все
полиизопреновые соединения,
синтезируется из ацетил ~
SKoA через меволоно- вую
кислоту.
Этерификация
приводит к поляризации молекул пигмента, что позволяет
им стать важнейшими
Рис. 32. Структурная формула хлороструктурными компонентами
филла:
тилакоидов.
а — хлорофилл о\ b — особенности хлороПроцесс биосинтеза хлофилла b
рофилла, начиная с образования
в хлоропластах. По данным
АЛК, осуществляется
А. А. Шлыка с соавторами (1965), синтез хлорофилла (совместно с
образованием каротиноидов) происходит в отдельных центрах
мембраны тилакоидов. Особенно богатыми «молодыми» молекуTV3
лами пигментов оказываются «легкие частицы», получаемые в
результате обработки детергентами и фракционированием. Образование хлорофилла b происходит в тех же центрах биосинтеза из
хлорофилла а путем замещения метильной группы третьего
углеродного атома II пиррольного кольца альдегидной группировкой.
Первые признаки зеленения выращенных в темноте этиолированных растений наблюдаются через 2—4 ч после начала освещения. Оптимальным для синтеза хлорофилла является освещение
200 Вт/м2. При сильном повышении интенсивности света биосинтез
хлорофилла начинает замедляться. Поэтому световые
Основные этапы биосинтеза хлорофилла у высших растений (по Walter,
1984, с изменениями)
Глутамат (С5)
а-кетоглутарат (С5)
у-8-диоксовалериат
— СН3
Протохлорофиллид
Хлорофиллид
Хлорофилл а
-» — СН3
Хлорофилл b листья имеют меньшую концентрацию хлорофилла, чем
темновые (эффект Шталя).
В опытах В. Н. Любименко показан нижний предел освещенности
для образования хлорофилла. У проростков ячменя и овса таким
пределом было освещение лампой накаливания мощностью 10 Вт.
При исследованиях было выявлено, что образование хлорофилла идет
интенсивнее на прерывистом свете. Это подтверждает двухфазность
1ГЖ
процесса, причем световая фаза (восстановление протохлорофиллида)
идет значительно быстрее, чем темнорые реакции.
Грбразование хлорофилла зависит от температуры. Оптимальнойтемпературой для накопления хлорофилла является 20— 25 ’С,
причем особое значение температура имеет для темновых реакций
синтеза предшественников хлорофилла. Поэтому растения ранней
весной часто не зеленеют и остаются этиолированными до тех пор,
пока температура не превысит 10 °C. На скорость образования
хлорофилла и особенно его предшественников оказывает влияние
оводненность тканей. При недостаточной водообеспеченности
биосинтез хлорофилла затормаживается и наблюдается его распад.
Пожелтение листьев при сильных засухах — обычное внешнее
проявление водного дефицита.
Важное значение для образования хлорофилла имеют условия
минерального питания. Растениям прежде всего необходимо хорошее
обеспечение азотом и магнием, которые входят в состав хлорофилла.
При недостатке этих элементов наблюдается хлороз — утрата зеленой
окраски листьев. Причиной хлороза может быть и дефицит железа.
Железо входит в состав ферментов, катализирующих важнейшие
звенья биосинтеза хлорофилла, — образование о-аминолевулиновой
кислоты и протопорфирина. При недостатке меди хлорофилл легко
разрушается, так как нарушаются комплексы между хлорофиллом и
соответствующими белками?
[11а общий ход биосинтеза хлорофилла влияет возраст листьев и
растения в целом. В молодых листьях биосинтез хлорофилла идет в
10—15 раз быстрее, чем в старых. Молекулы хлорофилла не могут
служить неограниченно долго. Часть их постепенно разрушается,
заменяясь вновь синтезированными. «Молодые» молекулы
хлорофилла в химическом отношении тождественны «старым», но
имеют иную связь с белками и работают более активно. Таким
образом, биосинтез и распад хлорофилла представляют сложный
комплекс биохимических реакций, находящихся под контролем как
генетических факторов, так и условий произрастания растений
Общее количество хлорофилла в фитоценозах довольно значительно. В посевах сельскохозяйственных растений среднее количество хлорофилла составляет 1,5 г/м2, или 15 кг/га. Спектральные
характеристики посевов позволяют по аэрофотосъемкам
Хлорофилл Ь
Рис. 33. Спектры поглощения пигментов хлоропластов
и снимкам, сделанным из космоса, оценивать их состояние и
определять урожай на больших территориях с точностью до 20 %.
Оптические свойства. Согласно закону Гротгуса — одному из
фундаментальных законов светохимии фотохимически деятельны
только поглощенные лучи. Поэтому Изучение спектров поглощения
пигментов, и в первую очередь хлорофилла, является решающим для
понимания механизма фотосинтеза и разработки путей его регуляции.
Не случайно этой ключевой проблеме посвящен классический труд К.
А. Тимирязева «Об усвоении света растениями».
Отличительной особенностью всех пигментов является наличие в
их составе системы слабо удерживаемых делокализованных
электронов, возбуждаемых квантами видимой части солнечного
спектра. Это лежит в основе их свойства — избирательного поглощения света. Резко выраженные максимумы поглощения хлорофиллов находятся в сине-фиолетовой и красной частях спектра (рис.
33). Максимумы поглощения раствора хлорофилла а в этиловом
спирте — 428—430 и 660—663 нм соответственно, хлорофилла Ь —
452—455 и 642—644 нм. Хлорофиллы очень слабо поглощают
оранжевые и желтые лучи и совсем не поглощают зеленые и
инфракрасные. Поэтому раствор хлорофилла а имеет сине-зеленый
цвет, хлорофилла b — желто-зеленый.
Поглощение в сине-фиолетовой части спектра обусловлено
системой конъюгированных 9 пар одинарных и двойных связей
порфиринового ядра молекулы хлорофилла с 18 делокализованными
я-электронами. которые возбуждаются квантами с энергией
1ГЖ
4,5-10~19 Дж, соответствующей этим лучам. Поглощение в красной
области спектра (энергия кванта ЗЮ-19 Дж) связано с гидрированием
двойной связи у С7—С8 в IV пиррольном кольце (при восстановлении
протохлорофиллида до хлорофиллида), присутствием магния в
порфириновом ядре и наличием циклопентанового кольца (V). Эти же
особенности структуры способствуют снижению поглощения в
желтой и зеленой частях спектра.
Необходимо отметить, что даже небольшое изменение в строении
молекул приводит к значительным различиям в положении
максимумов поглощения. Так, у хлорофилла Ь, отличающегося от
хлорофилла а заменой метильной группы на альдегидную, максимумы
поглощения света оказываются более сближенными за счет смещения
сине-фиолетового в длинноволновую, а красного — в
коротковолновую области. Кроме того, хлорофилл b более полно
использует сине-фиолетовый свет, чем хлорофилл а; в красных лучах
преимущества имеет хлорофилл а. Замещение магния протонами при
обработке хлорофилла кислотой приводит к образованию феофитина,
имеющего ослабленный красный максимум поглощения света и бурозеленый цвет. Удаление остатков фитола и метилового спирта путем
щелочного гидролиза слабо сказывается на оптических свойствах
хлорофилла.
Существенное влияние на положение максимумов спектра
поглощения оказывают природа растворителя и взаимодействие
молекул хлорофилла друг с другом, а также с другими пигментами,
белками и липидами в составе хлоропластов. У агрегированных
молекул хлорофилла, взаимодействующих с белками, красный
максимум поглощения сдвинут в более длинноволновую часть
спектра. Степень связывания определяет точный максимум
поглощения света.
Раствор хлорофилла обладает яркой вишнево-красной флуоресценцией — излучением поглощенных квантов света. В соответствии
с правилом Стокса флуоресценция сдвинута в более длинноволновую
часть по сравнению с поглощением света, максимум флуоресценции
650—668 нм. Хлорофилл в живом листе флуоресцирует слабо. Это
связано с тем, что энергия поглощенных квантов в основном
преобразуется в химическую, причем по степени флуоресценции
листа можно судить об эффективности фотосинтеза. Чем интенсивнее
флуоресценция, тем ниже КПД использования поглощенной энергии.
Механизмы избирательного поглощения света и флуоресценции
изучены достаточно хорошо. Поглощение кванта света сопровождается переходом в более богатое энергией короткоживущее
возбужденное состояние, связанное с переходом электрона на более
удаленную от ядра орбиталь (хлорофилл —> хлорофилл*).
Электронные орбитали атомов характеризуются опреде-
108
Рис. 34. Энергетические состояния молекулы хлорофилла н различные пути использования энергии электронного возбуждения. (Цифры указывают время жизни
каждого из состояний молекулы.)
ленными энергетическими уровнями, возрастающими по мере
удаления от ядра. Те кванты света, энергия которых соответствует
разности энергий между двумя орбиталями, поглощаются с переходом
электрона на более дальнюю орбиталь. Поэтому могут поглощаться
только кванты света с совершенно определенной длиной волны. В
отличие от атома возможные энергетические состояния молекул
нельзя описать точно фиксированными энергетическими уровнями,
они характеризуются широкими полосами в спектрах поглощения
(рис. 34).
В органических молекулах почти все электроны спарены, т. е.
находятся в одном и том же энергетическом состоянии, обладая
противоположными спинами (основное синглетное энергетическое
состояние — So)- Поглощение молекулой хлорофилла кванта
красного света с энергией 170 кДж/моль квантов приводит к первому
синглетному электронно-возбужденному состоянию —
\время существования которого примерно 10~9 с. Возбужденная
молекула хлорофилла переходит в стабильное состояние путем
возвращения электрона на исходную орбиталь. Поглощенная энергия
при этом может расходоваться различными способами: рассеиванием
теплоты; потерей в виде излучения; возбуждением соседних молекул
пигментов (перенос энергии к фотохимическим центрам);
совершением фотохимической работы. Возможны также потеря части
энергии в виде теплоты и переход молекулы из синглетного в
метастабильное триплетное возбужденное состояние (с обращением
спина электрона). Триплетное состояние длится гораздо дольше (> 104
с). Из триплетного состояния молекула может вернуться в основное
за счет более длительного, чем флуоресценция, слабого
длинноволнового свечения — фосфоресценции или направив энергию
на фотохимические реакции.
1ПО
Поглощение кванта в сине-фиолетовой области спектра (содержание энергии 300 кДж/моль квантов) приводит к возникновению
исключительно краткого (< 10 12 с) второго возбужденного
синглетного состояния (А)- За счет выделения части энергии в виде
теплоты молекула переходит в 5], и дальнейшие события
соответствуют возбуждению красным светом. Поэтому поглощение
света в синей и красной областях дает одинаковый спектр
флуоресценции
(красный),
а
также
равные
количества
фотохимической работы, несмотря на неодинаковое содержание
энергии у поглощенных квантов. Этим объясняется более высокая
эффективность красных участков солнечного спектра, о которой
писал еще К. А. Тимирязев.
Он предположил, что хлорофилл способен к окислительновосстановительному превращению. Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в 1948 г. А. А. Красновским в модельных опытах. В качестве донора электронов
использована аскорбиновая кислота. После выключения света реакция
идет в обратном направлении:
Хлорофилл + h v —► хлорофилл—»- хлорофилл + АН
хлорофилл- + АН+
Фотовосстановленный ион-радикал хлорофилл, в свою очередь,
может восстанавливать различные акцепторы электронов.
pv
е'
V
еДонор электронов ———► хлорофилл ————-► акцептор электронов.
В таких условиях хлорофилл действует как фотосенсибилизатор.
Эти реакции получили название реакций Красновского.
Таким образом, молекула хлорофилла благодаря структурным
изменениям и физико-химическим особенностям способна выполнять
три важнейшие функции: избирательно поглощать энергию света;
трансформировать ее в энергию электронного возбуждения (или
запасать ее в виде энергии электронного возбуждения);
фотохимически преобразовать энергию возбужденного состояния в
химическую энергию. Для функционирования молекулы хлорофилла
существенное значение имеет ее пространственная организация.
Магний-порфириновое кольцо молекулы представляет собой почти
плоскую пластинку толщиной 0,42 нм и площадью 1 нм2. Это
гидрофильная фотоактивная часть молекулы хлорофилла. Длинный (2
нм) алифатический остаток фитола, образующий угол с
порфириновым кольцом, — ее гидрофобный полюс, необходимый для
взаимодействия молекулы хлорофилла с гидрофобными участками
мембранных белков и липидов.
2.4.2.
КАРОТИНОИДЫ
Каротиноиды — жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого и красного цветов. Они входят в состав хлоропластов и
хромопластов незеленых частей растений (цветков, плодов, корнеплодов). В зеленых листьях их окраска маскируется хлорофиллом.
С его более ранним разрушением осенью или при неблагоприятных
условиях связано пожелтение листьев.
Структура и свойства. Каротиноиды являются тетратерпеноидами (8 остатков изопрена, С40). Каротиноиды могут быть ациклическими (алифатическими), моно- и бициклическими. Циклы на
концах молекул каротиноидов — производные ионона. Каротины
представляют собой углеводороды с формулой С40Н56. В
хлоропластах высших растений содержатся а- и p-каротины, р-каротин (рис. 35) имеет два р-иононовых кольца (двойная связь между
С5 и Сб). При гидролизе p-каротина по центральной двойной связи
образуются две молекулы витамина А (ретинола). «-Каротин
отличается от p-каротина тем, что у него одно кольцо р-ио- ноновое, а
второе Е-иононовое (двойная связь между С4 и С5).
Ксантофиллы являются кислородсодержащими производными
каротина. Ксантофилл лютеин — производное а-каротина, а зеаксантин — p-каротина. Они имеют по одной гидроксильной группе
в каждом иононовом кольце — (С40Н56О2). Дополнительное
включение в молекулу зеаксантина двух атомов кислорода по
двойным связям С5—Cg (эпоксидные группы) приводит к образованию виолаксантина (С40Н56О4), при включении эпоксидных
групп в лютеин образуется неоксантин. Синтез каротиноидов
начинается с ацетил ~SKoA через мевалоновую кислоту до ликопина
— ациклического каротина, который является предшественником
всех других каротиноидов. Синтез каротиноидов не требует света.
Спектры поглощения каротиноидов характеризуются двумя полосами
в фиолетово-синей и синей частях спектра от 400 до 500 нм и
определяются системой конъюгированных связей. При увеличении
числа таких связей максимумы поглощения смещаются в
длинноволновую
область спектра. Подобно хлорофиллам,
каротиноиды нековалентно связаны с белками и липоидами мембран
и тилакоидов/
Физиологическая роль каротиноидов. Каротиноиды являются
обязательными компонентами пигментных систем. Они выполняют
роль дополнительных пигментов, которые передают энергию
поглощенных квантов хлорофиллу а для совершения фотохимической
работы. Особенно возрастает их значение как светоулавливающих
систем в сине-фиолетовой и синей частях спектра
1ПО
Рис. 35. Структурные формулы каропшоцдок и последовательность их превращений
в затененных местах, т. е. когда преобладает рассеянная радиация.
Имеются доказательства, что каротиноиды выполняют защитную
функцию, предохраняя хлорофилл от фотоокисления. Еще в 1913 г. Д.
И. Ивановский установил, что в пробирках, выставленных на прямой
солнечный свет, степень разрушения хлорофилла зависела от
концентрации каротиноидов в растворе.
У дефектных по каротиноидам мутантов кукурузы и подсолнечника, а также при экспериментально нарушенном образовании
каротиноидов наблюдается быстрое фотоокисление хлорофилла.
Высказывается также предположение о прямом участии каротиноидов в расщеплении воды и кислородном обмене при фотосинтезе. Особое значение придается виолаксантиновому циклу.
4Н
Виолаксантин
2Н2О
Свет
2Н2О
Зеаксантин
2О2 + 4Н
При освещении в зеленых листьях происходит превращение
диэпоксидксантофилла виолаксантина в безэцоксидный ксантофилл
зеаксантин. В независимой от света реакции благодаря включению
кислорода происходит обратное превращение зеак- сантина в
виолаксантин. Возможно, этот цикл служит для удаления излишков
кислорода, образующихся при фотолизе воды.
В верхушках побегов растений каротиноиды обеспечивают определение направления света и их ориентацию к световому потоку за
счет фототропизма.
2.5. СВЕТОВАЯ ФАЗА ФОТОСИНТЕЗА
Сущность световой фазы фотосинтеза состоит в поглощении
лучистой энергии и ее трансформации в ассимиляционную силу (АТФ
и НАДФ-Н), необходимую для восстановления углерода в темновых
реакциях. Сложность процессов преобразования световой энергии в
химическую требует их строгой мембранной организации. Световая
фаза фотосинтеза происходит в гранах хлоропласта.
В состав фотохимически активных мембран хлоропластов входят
пять согласованно функционирующих многокомпонентых белковых
комплексов: светособирающий комплекс, фотосистемы . I и II,
цитохромный комплекс (цитохромы bf, и /), участвующий в
транспорте электронов, и АТФ-азный комплекс, обеспечивающий
синтез АТФ. Рассмотрим функционирование этих систем на основе
современных достижений науки.
2.5.1.
ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПИГМЕНТНЫХ СИСТЕМ
Пигменты хлоропластов объединены в функциональные комплексы — пигментные системы, в которых реакционный центр —
хлорофилл а, осуществляющий фотосенсибилизацию, связан
процессами переноса энергии с антенной, состоящей из светособирающих пигментов. Современная схема фотосинтеза высших
растений включает две фотохимические реакции, осуществляемые с
участием двух различных фотосистем. Предположение об их
существовании было высказано Р. Эмерсоном в 1957 г. на основании
обнаруженного им эффекта усиления действия длинноволнового
красного света (700 нм) совместным освещением более
коротковолновыми лучами (650 нм).
Впоследствии с помощью обработки ультразвуком и поверхностно-активными веществами и использования дифференциального
центрифугирования в градиенте плотности сахарозы удалось
получить легкие фрагменты хлоропластов, обогащенные фракцией
фотосистемы 1, и бодее тяжелые фрагменты, содержащие фракцию
фотосистемы II. Установлено, что фотосистема II (ФСП) поглощает
более коротковолновые лучи по сравнению с ФС1. Фотосинтез идет
эффективно только при их совместном функционировании, что
объясняет эффект усиления Эмерсона.
6 состав ФС1 в качестве реакционного центра входит димер
хлорофилла а с максимумом поглощения света 700 нм (Р700), а также
хлорофиллы 0675—695, играющие роль антенного компонента.
Первичным акцептором электронов в этой системе является
мономерная форма хлорофилла 0695, вторичными акцепторами —
железосерные белки (—FeS). Комплекс ФС1 под действием света
восстанавливает железосодержащий белок — ферредоксин (Фд) и
окисляет медьсодержащий белок — пластоцианин (Пц).
ФСП включает реакционный центр, содержащий хлорофилл а
(Рб8о) и антенные пигменты — хлорофиллы 0670—683- Первичным
акцептором электронов является феофитин (Фф), передающий
электроны на пластохинон. В состав ФСП входит также белковый
комплекс 5-системы, окисляющий воду, и переносчик электронов Z.
Этот комплекс функционирует с участием марганца, хлора и магния.
ФСП восстанавливает пластохинон (PQ) и окисляет воду с
выделением О2 и Протонов.
Связующим звеном между ФСП и ФС1 служат фонд пластохинонов, белковый цитохромный комплекс (b$, J) и пластоцианин.
В хлоропластах растений на каждый реакционный центр приходится примерно 300 молекул пигментов, которые входят в состав
антенных или светособирающих комплексов. Из ламелл хлоропластов
выделен светособирающий белковый комплекс, содержащий
хлорофиллы а и b и каротиноиды (ССК), тесно связанный с ФСП, и
антенные комплексы, непосредственно входящие в состав ФС1 и ФСП
(фокусирующие антенные компоненты фотосистем). Половина белка
тилакоидов и около 60 % хлорофилла локализованы в ССК. В каждом
ССК содержится от 120 до 240 молекул хлорофилла.
Антенный белковый комплекс ФС1 содержит ПО молекул
хлорофиллов 0680—695 на один /*700, из них 60 молекул — компоненты антенного комплекса, который можно рассматривать как ССК
ФС1. Антенный комплекс ФС1 также содержит р-каротин.
Антенный белковый комплекс ФСП содержит 40 молекул
хлорофиллов а с максимумом поглощения 670—683 нм на один Рбво
и
р-каротин.
Хромопротеины антенных комплексов не обладают фотохимической активностью. Их роль состоит в поглощении и передаче
энергии квантов на небольшое количество молекул реакционных
центров Р700 и Рб80» каждая из которых связана с цепью транспорта
электронов и осуществляет фотохимическую реакцию. Организация
электронно-транспортных цепей (ЭТЦ) при всех молекулах
хлорофилла нерациональна, так как даже на прямом солнечном свету
на молекулу пигмента кванты света попадают не чаще одного раза за
0,1 с.
Передача энергии в светособирающих комплексах и фотосистемах
происходит путем индуктивного резонанса. Условиями для
резонансного переноса энергии служат сближенное расположение и
перекрытие частот осциллирующих электронных систем у двух
взаимодействующих
молекул.
Причем
миграция
энергии
осуществляется от коротковолновых пигментов к более
длинноволновым. Квант света мигрирует в фотосистеме, пока не
попадет в стоковую молекулу (ловушку) — пигмент реакци
онного центра, который является самым длинноволновым и поэтому
неспособным
возбуждать
соседние
молекулы.
Энергия
возбужденного пигмента реакционного центра расходуется на
фотохимическую работу. Квант света обычно передается на стоковую
молекулу через несколько сотен передач, каждая передача
осуществляется за 10“12 с, 100 передач — соответственно за 10“10 с.
Экспериментально установлено, что 90 % энергии возбуждения
хлорофилла а может быть передано на 7*700 менее чем за 10-9 с.
2.5.2.
ЦИКЛИЧЕСКОЕ И НЕЦИКЛИЧЕСКОЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Фотосинтетическое фосфорилирование, т. е. образование АТФ в
хлоропластах в ходе реакций, активируемых светом, может
осуществляться циклическим и нециклическим путями.
Циклическое фотофосфорилирование является более простым и
эволюционно более древним. При циклическом фотофосфорилировании функционирует только ФС1 и ее единственным продуктом
является АТФ.
Циклическое фотофосфорилирование было открыто в 1954 г.
Арноном, Алленом и Френкелем на изолированных хлоропластах
шпината.
Сущность циклического фотофосфорилирования заключается в
следующем (рис. 36).
При поглощении кванта света
один их электронов пигмента реакционного центра (Р700) переходит
на более высокий энергетический
уровень. В этом состоянии он
захватывается белком, содержащим
железо и серу (Fe — S-центр), а затем
передается на железосодержащий
белок ферри- доксин. Дальнейший
путь электрона — поэтапный, его
транспорт обратно к Р700 через ряд
промежуточных
переносчиков,
среди которых имеются флавопротеиды и цитохромы. По мере
транспорта электрона его энергия
высвобождается и используется на
присоединение Фн к АДФ с
образованием АТФ. Число молекул
АТФ, образующихся при переносе
одного электрона, до сих пор не
установлеРис. 36. Схема циклического транспорта электронов при фотосинтезе
■',0
-Ц8
•Об
-0,4
*
<?д
50кДж
-0,2
«в
UUlbs53
цшь^
2ё
0,2
0,4
^ииг.ье
|
'.!<иг.
Ье
FeS
t,
'/202
0,6
комплексно!
08
1,0 ■
1,2 -
2AV
2H*‘
Антенный
комплексФСП
Рис. 37. Схема нециклического транспорта электронов при фотосинтезе
но. Причина в том, что из двух необходимых величин относительно
легко измерить только количество АТФ, синтезированное за
определенное время, тогда как оценить число электронов,
перенесенных по циклической цепи за тот же промежуток времени, не
представляется возможным.
Итак, при циклическом фотофосфорилировании энергия света
расходуется на перенос электрона на высоковосстановлен- ное
соединение, т. е. против градиента ОВ-потенциала, а затем электрон
«скатывается с горки», образованной переносчиками с убывающим
уровнем восстановленное™, и, обедненный энергией, возвращается
на ФС1. Механизмы сопряжения (АТФ- азный комплекс)
обеспечивают на этом отрезке пути запасание энергии в виде АТФ. У
простейших автотрофов — бактерий — это единственный путь
фотофосфорилирования.
У высших растений в процессе эволюции появился более сложный
путь, который осуществляется при участии двух фотосистем и
обеспечивает восстановление НАДФ за счет фотоокисления воды.
Причем восстановление НАДФ осуществляет ФС1, а фотоокисление
воды — ФСП. Эти две системы функционируют одновременно и
взаимосвязанно. Р. Хиллом и Ф. Бендаллом (1960) разработана схема
последовательности реакций, которая получила название схемы
нециклического транспорта электронов, или Z-схемы. Рассмотрим ее
основные моменты (рис. 37).
При возбуждении Р700 в реакционном центре ФС1 электрон
захватывается мономерной формой хлорофилла а и затем последовательно передается через железосерные белки, ферридоксин,
флавопротеиды на восстановление НАДФ. PJQQ, не получив электрона
обратно, как в случае циклического фосфорилирования, приобретает
положительный заряд, который компенсируется электроном ФСП.
В ФСП Рб80> возбужденный квантом света, передает электрон
феофитину. От феофитина электрон, теряя энергию, последовательно
передается на пластохиноны, железосерный белок, цитохром /,
пластоцианин и, наконец, на Р700 ФС1. Энергия, освобождающаяся
при транспорте электрона от возбужденной ФСП на ФС1,
используется для синтеза АТФ из АДФ и Фн, т. е. здесь имеет место
фотофосфорилирование.
Рб80, оставшись без электрона, приобретает способность получать
электрон от воды. Несмотря на активное исследование, детально
механизм процесса фотоокисления воды не установлен. Показано
участие белкового комплекса и переносчика электронов Z, для
функционирования которых необходимы Мп, С1 и Са.
Таким образом, при нециклическом пути происходит линейный
или открытый, т. е. не замкнутый по циклу, транспорт электронов.
Донором электронов является вода, конечным акцептором — НАДФ.
Причем происходит одновременно двухэлектронный транспорт.
Передача электронов осуществляется при участии двух фотосистем,
поэтому для переноса каждого электрона расходуются два кванта
света. На участке между ФСП и ФС1 транспорт электрона идет по
убывающему
градиенту
окислительно-восстановительного
потенциала с высвобождением энергии и запасанием ее в АТФ.
(Подробно механизмы фосфорилирования, сопряженные с
транспортом электронов, рассмотрены в разделе 3.)
Наряду с нециклическим в мембранах хлоропластов высших
растений функционирует циклический транспорт электронов. Причем
ферридоксин выполняет роль регулятора потока электронов. При
возрастании потребности в АТФ часть электронов от ферридоксина
через систему цитохромов возвращается к Р700 с образованием АТФ.
Восстановление НАДФ в этом случае не идет, и фотоокисления воды
при участии ФСП не требуется.
Белковые комплексы, участвующие в фотохимических реакциях
фотосинтеза, в мембранах хлоропластов распределены неравномерно.
Наибольшие различия наблюдаются между теми мембранами,
которые плотно состыкованы друг с другом в гранах, и теми
участками мембран, которые контактируют со стромой, —
закругленные участки тилакоидов гран и мембраны тилакоидов
стромы (рис. 38).
Рис. 38. Локализация электрон- и протонтранспортных реакций в мембране тилакоида
Светособирающий комплекс и ФСП находятся в основном в
плотносостыкованных мембранах гран. ФС1 со своим светособирающим комплексом и АТФ-азный комплекс находятся на несостыкованных участках мембран. Взаимодействие между ними
осуществляется с помощью легкоподвижного в липидной фазе
пластохинона, а также благодаря перемещению водорастворимого
пласгоцианина вдоль внутренних поверхностей ламелл и водорастворимого ферридоксина вдоль наружных поверхностей.
К латеральным перемещениям способны и пигментбелковые
комплексы. Например, восстановление в избыточных количествах
пластохинона ФСП способствует перемещению ССК в стромальную
область мембраны и возрастанию миграции поглощенной энергии
света с ФС1. Возросшая фотохимическая активность ФС1 усиливает
окисление пластохинона, что приводит к обратному перемещению
ССК. Таким образом, система взаимной регуляции активности ФС1 и
ФСП включает латеральный транспорт белковых комплексов в
мембранах хлоропластов.
2.6. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕРОДА ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ
(ТЕМНОВАЯ ФАЗА)
Продукты световой фазы фотосинтеза АТФ и НАДФ-Н используются в темновой фазе для восстановления СОг до уровня
углеводов. Реакции восстановления происходят настолько быстро, что
с помощью обычных методов химического анализа чрезвычайно
трудно обнаружить промежуточные продукты и практически
невозможно установить последовательность их превращений. Только
использование радиоактивных изотопов, в первую очередь 14С, в
качестве метки, хроматографии и электрофореза позволило
-118
установить
последовательность реакций при фотосинтезе,
множественность путей метаболизма углерода. В настоящее время
известны С3- и Сд-пути фиксации СО2, фотосинтез по типу
толстянковых (CAM-метаболизм) и фотодыхание.
2.6.1.
Сз-ПУТЬ ФОТОСИНТЕЗА (ЦИКЛ КАЛЬВИНА)
Этот способ ассимиляции СО2, присущий всем растениям, был
расшифрован американскими исследователями во главе с Мэльвином
Кальвиным. Схема последовательности реакций получила название
цикла Кальвина. Характерной особенностью фотосинтетического
восстановления СО2 являются цикличность и разветвленность этого
процесса. Цикличность обеспечивает высокую производительность,
саморегуляцию
и
непрерывность
образования
углеводов.
Разветвленность — образование разнообразных продуктов,
дублирование путей регенерации акцептора СОг- Цикл состоит из
трех этапов: карбоксилирования, восстановления и регенерации
акцептора СО2 (рис. 39).
Карбоксилирование. Первой реакцией, вводящей СО2 в цикл
Кальвина, является карбоксилирование рибулезо-1,5-дифосфата (1,5РДФ) с участием фермента рибулезодифосфаткарбоксилазы (РДФкарбоксилазы). Образующееся при этом нестойкое шестиуглеродное
соединение быстро распадается на триозы — две молекулы 3фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). Поэтому 3-ФГК можно считать
первичным продуктом фотосинтеза.
Фаза восстановления. Восстановление 3-фосфоглицериновой
кислоты (3-ФГК) до 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА)
происходит в два этапа. Сначала при участии АТФ и фосфоглицераткиназы 3-ФГК присоединяет остаток фосфорной кислоты с
образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-дФГК). Этим
достигается повышение реакционной способности соединения и
возможность его восстановления с помощью НАДФ Н до 3-ФГА. Это
единственная восстановительная реакция цикла, фосфоглицериновый
альдегид по уровню восстановленности углерода соответствует
углеводу с общей формулой (СНгСДз. Фаза восстановления является
центральным звеном цикла. Именно здесь скрещиваются световая и
темновая фазы фотосинтеза. Все остальные превращения идут на
уровне сахаров, одинаковых по степени восстановленности.
Фаза регенерации первичного акцептора СО2 и синтеза конечных
продуктов фотосинтеза. В результате рассмотренных ранее реакций
при фиксации трех молекул СО2 образуются 6 молекул
восстановленных 3-фосфотриоз, пять из них используются затем
С02 из атмосферы
РийулозоОифос
АВРфот.
изсбетоО
ых
реакций
ABP^-Pi
NADP*
Со®
\2(Сз-®
Фосфоглицерин
оВый альдегид
Рибулозофоарап?
'■Конденсации и
перестройки
^ЗГ^Ч~1^5~г^В~
и Cr
сахарофосфатов
Конечный продукт с,®
Гексозомонофосфат
асфоглицериноВая . тп.
каР1
Крахмал и сахароза
, кислота
сВетоВьос
ш АТр реакции
NADP-H
+Н*
Рис. 39. Упрошенная схема цикла Кальвина
для регенерации рибулезодифосфата, а одна — для синтеза глюкозы.
Это достигается следующей последовательностью реакций. Часть
молекул 3-ФГА под действием триозофосфатизомеразы превращается
в фосфодиоксиацетон (ФДА). Затем два изомера (ФГА и ФДА)
подвергаются конденсации при участии фермента альдолазы, образуя
фруктозо-1,6-дифосфат, у которого затем отщепляется один фосфат. В
дальнейших реакциях, связанных с регенерацией акцептора СОг,
возникает цепь фосфорных эфиров сахаров, содержащих в своем
составе 4, 5 или 7 атомов углерода. В этих реакциях последовательно
принимают участие транскетолазы и альдолазы. Транскетолаза
катализирует перенос двухуглеродной группировки от фруктозо-6фосфата на 3-ФГА, при этом образуются эритрозо-4-фосфат (С4) и
ксилулозо-5-фосфат (С5). Затем альдолаза осуществляет перенос
трехуглеродного остатка ФДА на эритро-4-фосфат, в результате чего
синтезируется седогептулозо-1,7-дифосфат (С7). От последнего
отщепляется один остаток фосфорной кислоты и под действием
транскетолазы из него и 3-ФГА образуются ксилулозо-5-фосфат (С5) и
рибозо-5- фосфат (С5). Две молекулы ксилулозо-5-фосфата путем
эпимеризации и одна молекула рибозо-5-фосфата за счет
изомеризации превращаются в три молекулы рибулозо-5-фосфата
(С5). Это соединение подвергается фосфорилированию за счет АТФ,
кото
рую поставляет световая фаза фотосинтеза, с образованием рибулозо1,5-дифосфата. Цикл при этом замыкается.
Из оставшейся неиспользованной шестой молекулы 3-ФГА при
повторении цикла под действием альдолазы синтезируется фруктозо1,6-дифосфат, из которого могут образоваться глюкоза, сахароза или
крахмал:
фруктозо-1,6-дифосфат
Нр
I
I
фрукгозо-6-фосфат ----------глюкоза-— глюкозо-6-фосфат
глюкозо-1 -фосфат
---------- ►- сахароза
IL
------- ►УДФЦ-глюкоза
+УТФ
крахмал
Таким образом, для синтеза одной молекулы глюкозы (CQ должно
произойти шесть оборотов цикла. В каждом обороте цикла
используются три молекулы АТФ (две для активирования двух
молекул ФГК и одна при регенерации акцептора COj 1,5- РДФ) и две
молекулы НАДФ-Н для восстановления ФГК до ФГА. Поэтому для
синтеза одной молекулы глюкозы в цикле Кальвина необходимо 12
НАДФ-Н и 18 АТФ. Таков энергетический вклад световой фазы в
темновую фиксацию СОгВ цикле Кальвина первичными продуктами включения СО2 в
органические вещества и восстановления являются трехуглеродные
соединения (3-ФГК, 3-ФГА, ФДА). Поэтому этот способ фиксации COj
носит название Сз-пути фотосинтеза. Большинство растений, особенно
произрастающих в умеренной зоне, используют именно этот путь
восстановления СО2 и называются Сз-растениями.
2.6.2.
С4-ПУТЬ ФОТОСИНТЕЗА (ЦИКЛ ХЕТЧА И СЛЭКА)
Путь усвоения СО2, установленный М. Кальвиным, является
основным. Но существует большая группа растений, включающая
более 500 видов покрытосеменных, у которых первичными
продуктами фиксации СО2 и восстановления являются четырехуглеродные соединения. Их называют Срастениями. Основы для
биохимического исследования фотосинтеза у Срастений были
заложены в работах Л. А. Незговоровой (1956—1957), Ю. С.
Карпилова и И. А. Тарчевского (1960—1963), а также австралийских
ученых Хетча и Слэка. В 1966 г. Хетч и Слэк пред-
пожили законченную схему цикла темновых реакций у С4~расте- ний,
которая получила название цикла Хетча и Слэка.
К. С4-растениям относится ряд культурных растений преимущественно тропического и субтропического происхождения —
кукуруза, просо, сорго, сахарный тростник и многие злостные сорняки
— свинорой, сыть округлая, ежовник крестьянский, просо куриное,
просо крупное, гумай (сорго алепское), щирица, щетинник и др. Как
правило,
это
высокопродуктивные
растения,
устойчиво
осуществляющие фотосинтез при значительных повышениях
температуры и в засушливых условиях.
Для листьев (-растений характерно анатомическое строение кранцтипа (от нем. Kranz — венок, корона), т. е. наличие явно отличающихся
друг от друга фотосинтезирующих клеток двух типов, которые
располагаются концентрическими кругами: радиально расположенные
вокруг проводящих пучков клетки обкладки и основной мезофилл
(рис. 40).
Клетки обкладки проводящего пучка содержат крупные, лишенные
гран (агранальные) хлоропласты. В клетках мезофилла находятся
более мелкие гранальные хлоропласты. Эти два типа клеток
физиологически не равноценны и специализируются на выполнении
разных звеньев фотосинтеза. С4-ЦИКЛ можно разделить на две
стадии: карбоксилирование, происходящее в клетках мезофилла, и
декарбоксилирование и синтез углеводов, идущие в клетках обкладки
проводящих пучков. Общим для всех С4-расте- ний является то, что
карбоксилированию
подвергается
фосфоенолпировиноградная
кислота (ФЕП) при участии ФЕП-карбок- силазы и образуется
щавелевоуксусная кислота (ЩУК), которая восстанавливается до
яблочной кислоты или аминируется с образованием аспарагиновой
кислоты.
соон
I сн2
I‘
сн2
II
о
со©
I соон
ФЕП
соон I
сн2
+ со2 I
----------- * со
I
с
о
о
н
ЩУК
CHOH + Н3РО4
I соон яблочная кислота
(малат)
соон
I
сн2
I CHNH2
I соон
аспарагиновая
кислота
Щавелевоуксусная, яблочная и
аспарагиновая кислоты являются
четырехуглеродными
соединениями.
По способу декарбоксилирования при участии НАДФ-Н или
НАД-малатдегидрогеназы (МДГ,
называемой также малик- энзимом
и яблочным ферментом) или ФЭП
— карбоксикиназы (ФЕП-КК) у
С4-растений можно выделить три
Рис. 40. Структурные особенности С4группы: НАДФ-МДГ, НАД-МДГ и
расгений: поперечный разрез листа кукурузы (по В. Я. Александрову, 1961): 1 — ФЕП-КК-типы соответственно. У
НАДФ-МДГ-растений главными
эпидермис; 2 — межклетники; 3 — мезофилл; 4
— проводящий пучок; 5 — клетки обкладки
метаболитами, вовлеченными в
обмен между клетками, являются
малат и пируват (ПВК), у НАДМДГ-растений — аспартат и аланин и у ФЕП-КК-растений — аспартат
и ФЕП. Важнейшие сельскохозяйственные культуры — кукуруза,
сорго, сахарный тростник и такие распространенные сорняки, как
сыть, ежовник, щетинник, гумай, относятся к НАДФ-МДГ-типу.
Рассмотрим С4-ЦИКЛ восстановления СО2 на примере этих
растений (рис. 41). СО2, поступающий в лист через устьица, попадает
в цитоплазму клеток мезофилла, где при участии ФЕП- карбоксилазы
вступает в реакцию с ФЕП, образуя щавелевоук- сусную кислоту
(оксалоацетат). Затем уже в хлоропластах оксало- ацетат
восстанавливается до яблочной кислоты (малата) за счет НАДФН,
образующегося в ходе световой фазы фотосинтеза;
ЩУК в присутствии NH4 может превращаться также в аспартат.
Рис. 41. Схема кооперативного действия клеток мезофилла и обкладки сосудистого
пучка у С^-растений
Опыты с радиоактивной меткой (14С) показали, что после освещения
растений в течение 1 с более 90 % радиоактивности обнаруживается в
составе С4-КИСЛ0Т.
Затем малат переносится в хлоропласты клеток обкладки сосудистого пучка, где он подвергается окислительному декарбоксилированию, продуктом которого является пировиноградная
кислота (ПВК). Последняя снова диффундирует в мезофилл, где при
участии АТФ, образованной в световой фазе, происходит регенерация
ФЕП, после чего цикл карбоксилирования повторяется с участием
новой молекулы СО2. Образовавшиеся в результате окислительного
декарбоксилирования малата СО2 и НАДФ-Н поступают в цикл
Кальвина, что приводит к образованию ФГК и других продуктов,
свойственных Сз-растениям. Следовательно, именно клетки обкладки
выполняют роль основной ■ ассимилирующей ткани, поставляющей
сахара в проводящую систему. Клетки мезофилла выполняют
вспомогательную функцию — подкачку СО2 для цикла Кальвина.
Таким образом, С4- путь обеспечивает более полное усвоение СО2, что
особенно важно для тропических растений, где основным
лимитирующим фактором фотосинтеза является концентрация СО2.
Эффективность усвоения СО2 С4~растениями увеличивается также за
счет подачи НАДФ Н в хлоропласты клеток обкладки. Эти хлоропласты имеют агранальное строение и специализируются на темновой фазе
фотосинтеза, здесь практически не происходит нециклическое
фотофосфорилирование. На один агранальный хлоропласт в среднем
приходится 8—10 гранальных хлоропластов, осуществляющих
первичную фиксацию СО2 и нециклическое фотофосфорилирование.
Такая компартментация процессов и кооперация функционирования
тканей обеспечивают повышение продуктивности растений и
позволяют накапливать СО2 в органических кислотах для
осуществления фотосинтеза даже при закрытых устьицах в наиболее
жаркое время дня. Это сокращает потери воды на транспирацию.
Эффективность использования воды (-растениями вдвое выше, чем у
Сз-растений. Физиологобиохимические различия между С3- и С4растениями систематизированы в таблице 10.
10. Сравнительная характеристика Сз- и С4-растений
Признак
|
Сз-растения
|
Сд-растения
Происхождение и основ- Умеренная зона
ное местообитание
Тропическая и субтропическая зона
Мезофилл
Дифференцирован на основной мезофилл и клетки обкладки сосудистого
пучка
Дифференцирован на
столбчатую и губчатую
• ткань
Продолжение
Признак
Хлоропласты
|
Сз-растения
।
С<-растения
Гранапьные
Гранальные и аграналь- ные
ФГК, ФГА (трехуглеродные
ЩУК, аспартат, малат
соединения)
(четырехуглеродные соединения)
Первичный акцептор СОг Рибулезодифосфат
Фосфоенолпируват
Ключевой фермент
РДФ-карбоксилаза
ФЕП-карбоксилаза 0—0,0005
СОг-компенсационный 0,003—0,01 % пункт
%
Первичные продукты фотосинтеза
Световое насыщение фоПри средней освещенности Не достигается даже на
полном солнечном свете
тосинтеза
Есть
Нет
Наблюдаемое фотодыхание
Отток ассимилятов
Продуктивность
2.6.3.
Медленный
Средняя (20—30 т/га)
Быстрый
Высокая (80 т/га)
ФОТОСИНТЕЗ ПО ТИПУ ТОЛСТЯНКОВЫХ (САМ-МЕТАБОЛИЗМ)
Цикл Хетча и Слэка обнаружен также у растений-суккулентов (из
родов Crassula, Bryophyllum и др.). Но если у Срастений кооперация
достигнута за счет пространственного разделения двух циклов
(включение СОг в органические кислоты в мезофилле, восстановление
в обкладке), то у суккулентов эти процессы разделены во времени. Для
них не характерны структурные особенности Срастений, а существует
суточный цикл метаболизма С4-КИСЛОТ с образованием яблочной
кислоты ночью. В соответствии с английским выражением
Crassulacean acid metabolism (САМ) этот тип фиксации СО2 называют
САМ-метабо- лизмом (рис. 42).
Устьица у этих растений открываются ночью, что уменьшает
потери воды растениями. COj, поступающий из атмосферы и
освобождающийся в процессе дыхания, при участии ФЕП-карбоксилазы взаимодействует с фосфоенолпируватом, образуя щавелевоуксусную кислоту. Последняя восстанавливается до малата,
который накапливается в вакуолях клеток листа. Это приводит к
подкислению клеточного сока в ночное время. Днем при закрытых
устьицах в условиях недостатка влаги малат транспортируется в
цитоплазму и там декарбоксилируется с образованием СО2, который
включается в цикл Кальвина, участвуя в синтезе сахаров. Такой
метаболизм COj не может обеспечить высокой продуктивности
растений, но позволяет им существовать в засушливых
местообитаниях.
Рис. 42. Метаболизм органических кислот по типу толстянковых
2.6.4. ФОТОДЫХАНИЕ И МЕТАБОЛИЗМ ГЛИКОЛЕВОЙ КИСЛОТЫ
Фотодыхание — это индуцированное светом поглощение кислорода и выделение СО2, которое наблюдается только в растительных
клетках, содержащих хлоропласты. Химизм этого процесса
значительно отличается от «темнового» дыхания митохондрий.
Первичным продуктом фотодыхания является гликолевая кислота,
поэтому такой путь окисления получил название глико- латного.
Фотодыхание осуществляется в результате взаимодействия трех
органелл — хлоропластов, пероксисом и митохондрий (рис. 43). В
основе фотодыхания лежит способность ключевого фермента цикла
Кальвина РДФ-карбоксилазы в условиях высокого парциального
давления кислорода выполнять оксигеназную функцию, т. е.
катализировать окислительное расщепление рибулозо-1,5-дифосфата
на 3-фосфоглицериновую кислоту и 2-фос- фогликолевую кислоту,
содержащую два атома углерода. 3-ФГК поступает в цикл Кальвина, а
2-фосфогликолевая кислота подвергается дефосфорилированию с
образованием гликолата. Гли- колат из хлоропласта поступает в
пероксисому — органеллу овальной формы, окруженную одинарной
мембраной. Здесь гли- колат под действием гликолатоксидазы
окисляется до глиоксила- та. Образующаяся при этом перекись
водорода расщепляется при участии фермента каталазы. Глиоксилат
затем превращается в аминокислоту глицин в результате реакции
трансаминирования. В качестве донора аминогруппы функционирует
глутаминовая кислота.
Глицин транспортируется в митохондрию. Там из двух молекул
глицина образуется серин и освобождается СО2. Таким образом, часть
углерода, фиксированного в цикле Кальвина, теряется растением.
Поэтому при интенсивном фотодыхании продуктивность фотосинтеза
снижается. Серин может использоваться в белковом синтезе или
поступает в пероксисому и там передает аминогруппу на пируват. При
этом из пирувата образуется ала-
Рис. 43. Схема процесса фотодыхания
нин, из серина — гидроксипируват, который восстанавливается в
глицерат. Глицерат может снова попасть в хлоропласты и включиться
в цикл Кальвина.
Митохондриальное («темновое») дыхание на свету обычно затормаживается. У Сз-растений при хорошей освещенности фотодыхание в 1,3—3 раза активнее, чем «темновое» дыхание. Сз-растения в результате фотодыхания теряют 30—35 %, а иногда до
половины всего углерода, ассимилированного в процессе фотосинтеза.
У Срастений СОг, выделяющийся в результате фотодыхания,
включается в клетках мезофилла Б оксалоацетат и малат и благодаря
этому реассимилируется растением. Расход на фотодыхание
продуктов ассимиляции снижается до 0—6 %, это обеспечивает их
более высокую продуктивность.
Некоторые исследователи видят в снижении фотодыхания резерв
для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур. Однако
работа в этом направлении пока не увенчалась успехом. При
испытании многочисленных химических ингибиторов снижение
фотодыхания обычно сопровождается подавлением и самого
фотосинтеза. Положительный эффект высокой концентрации СО2
сохраняется обычно только в течение 5—10 сут. Для поиска растений
с низким фотодыханием было обследовано значительное число видов
и сортов, получены мутанты. Однако, как правило, образцы растений
с пониженным фотодыханием имели низкий уровень фотосинтеза и
продуктивности, поэтому не получили практического применения.
Установлено также, что подавление фотодыхания сои в условиях
пониженной концентрации О2 (5 %) сопровождалось увеличением
накопления вегетативной массы без формирования семян. Все это
свидетельствует о фотодыхании как о необходимом и полезном
процессе. Преимущества С4-растений не в отсутствии фотодыхания, а
в способности реассимилировать СО2. В связи с этим некоторый
интерес представляет идея модификации фотосинтеза Сз-растений
путем введения в клетки мезофилла листа механизма «накачки» СО2
внутрь хлоропластов, свойственного Сграстениям. Известно, что у Сзрастений имеются все ферменты С4-метаболизма углерода кроме
пируватдикиназы, ответственной за регенерацию акцептора СО2 —
ФЕП. С4-ТИП, по-видимо- му, эволюционно возник из Сз-типа как
результат приспособления к аридному климату, и есть перспектива
методами генной инженерии создать формы Сз-растений с высокой
активностью ФЕП-системы для концентрирования СО2 в
хлоропластах.
В настоящее время нет общепризнанных представлений о физиологической роли фотодыхания, однако многие исследователи
склоняются к мнению, что оно выполняет роль поставщика более
широкого ассортимента образующихся в ходе фотосинтеза продуктов.
Необходимо вспомнить, что гликолатный путь приводит к синтезу
аминокислот — глицина и серина. В многочисленных опытах
прослеживается связь фотодыхания с азотным обменом листа.
Условия, приводящие к снижению фотодыхания и ослаблению
фотосинтетического потока углерода через гликолатный путь
(снижение концентрации кислорода и повышение СО2), вызывают
уменьшение включения 14СС>2 в аминокислоты и усиление
образования углеводов. При усилении азотного питания (особенно
нитратной формой) активность ферментов глико- латного пути
возрастает. Кроме того, фотодыхание поставляет энергетически
ценные продукты — восстановленный НАДФ, обсуждается также
возможность синтеза АТФ в процессе образования серина.
Одна из концепций значения фотодыхания предполагает его
защитную роль. Сброс избыточной энергии позволяет предотвратить
деструкцию фотосистем, избежать прекращения фотохимических
процессов при высокой освещенности и недостатке СО2 (при
закрытых в условиях водного дефицита устьицах и высокой
температуре). Фотодыхание обеспечивает сбалансированность
световой и темновой фаз фотосинтеза, их зависимость от потребности
в продуктах фотосинтеза. Показано стимулирование фотодыхания при
торможении оттока ассимилятов, например, при удалении плодов,
клубней картофеля. Фотодыхание, наоборот, снижается при
увеличении цагрузки на хлоропласт. Таким образом, фотодыхание
выполняет роль отводного канала в общем русле энергообеспечения
растений.
2.7. ИНТЕНСИВНОСТЬ ФОТОСИНТЕЗА
И МЕТОДЫ ЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Под интенсивностью фотосинтеза (ИФ) понимают количество СО2,
усваиваемое единицей листовой поверхности за единицу времени. ИФ
измеряется преимущественно в мг СОгДдм-ч) или в мкмоль* СОгДмс). Реже для характеристики активности фотосинтеза используют
количество О2, выделяемое единицей листовой поверхности за
единицу времени.
Наиболее распространенным методом определения ИФ как в
лабораторных, так и в полевых условиях является газометрический.
Это самый производительный и точный метод учета поглощения СО2,
основанный на инфракрасном анализе содержания диоксида углерода
в токе воздуха. Измерение поглощения СО2 имеет ряд важных
преимуществ перед определением динамики накопления сухой массы.
Прежде всего данный метод применим в любое время, не приводит к
уничтожению растения и позволяет оценить прибавку сухой массы за
короткий интервал времени (за минуты, часы или дни). Кроме того, он
дает возможность изучать каждый лист в отдельности и
соответственно оценить вклад каждого яруса в фотосинтетическую
деятельность растения, отделяя прибыль углерода за счет фотосинтеза
от потерь за счет дыхания.
В большинстве исследований газообмена СО2 используется метод,
основанный на помещении листа, растения или группы растений в
прозрачную камеру. ИФ таких объектов определяют с помощью
инфракрасных газоанализаторов по изменению концентрации СО2 в
потоке воздуха, протекающем через камеру. Обмен СО2 больших
участков, например, поля, можно измерить с помощью
микрометеорологического метода. При этом ИФ посевов определяют
с помощью параллельных измерений концентрации СО2 и движения
воздуха над посевом. Поскольку растения поглощают СО2, то его
концентрация в воздухе непосредственно над растениями и вокруг них
будет снижаться. Изменения концентрации СО2 на различной высоте
над полем будут вызваны соотношением между скоростью
ассимиляции СО2 растениями и
движением воздуха, благодаря чему восполняется необходимый
уровень СО2.
Радиометрический метод определения ИФ предполагает введение
метки по 14С в виде СО2. С этой целью лист (целое растение)
экспонируется с *4СО2 в течение короткого (менее 60 с), но точно
измеренного периода времени. Затем лист срезают, фиксируют в
жидком азоте и определяют содержание в нем 14С, которое прямо
пропорционально ИФ. Метод широко используется для полевого
* 1 мкмоль СОг/(м2 с)=1,58 мг СОг/(дм2ч).
Проводимость 1 см/с примерно равна 400 ммоль СОз/(м 2 с) при 25 °C.
измерения. Однако появившиеся недавно портативные ИКгазоанализаторы на СО2 начали вытеснять радиометрический метод
при работе в поле, поскольку последний имеет два существенных
недостатка. Во-первых, он приводит к гибели растения, во-вторых,
может систематически завышать ИФ, особенно у Сз-растений,
обладающих в сравнении с С4-растениями значительным
фотодыханием.
Фотосинтез интактных листьев обычно исследуют при помощи
инфракрасного
газоанализатора.
Однако
полярографическое
определение кислорода при помощи электрода, прикладываемого к
листовой высечке, является в этом случае более дешевым
альтернативным методом. Он может дать дополнительную информацию, например, о том, что отношение между выделившимся О2
и поглощенной СО2 не всегда равно 1. Электрод для листовой высечки
можно использовать для измерения максимальных скоростей
фотосинтеза в условиях насыщения СО2. Этим же способом удобно
проводить измерение скорости фотосинтеза в зависимости от
освещенности.
Фотосинтетическую активность изолированных хлоропластов
трудно определить при помощи ИК-газоанализатора. Радиометрический метод может дать ценную информацию относительно
продуктов фотосинтеза, однако при этом измерения нельзя проводить
непрерывно. Поэтому используют обычный метод измерения ИФ при
помощи кислородного электрода, дающий возможность определять
изменения содержания кислорода в суспензии порядка 0,01 мкмоль.
2.8.
ЭНДОГЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ
ФОТОСИНТЕЗА
Проводимость листа. Одним из основных факторов эндогенной
регуляции фотосинтеза является проводимость* листа для молекул
СО2, тесно коррелирующая с ИФ. Различают устьичную и остаточную
проводимость.
Последняя
представлена
главным
образом
проводимостью мезофилла. Проводимость — это величина, обратная
сопротивлению. Она измеряется в сантиметрах в секунду. Устьичная
проводимость (УП), или проводимость в газовой фазе, у растений
колеблется от 1 см/с, когда устьица широко открыты, до 0,02 см/с при
закрытых устьицах. Проводимость мезофилла (МП), или
проводимость молекул СО2 в жидкой фазе, при их прохождении через
клеточные стенки, мембраны, цитозоль и двойную мембрану
хлоропласта к местам карбоксилирования в строме определяется
прежде
всего
активностью
карбоксилирующих
ферментов
фотосинтеза. МП имеет значения 0,1—0,5 см/с у Сз-растений и более
0,5 см/с у С4-рас- тений. Более высокая МП у Севидов объясняется
главным образом незначительным фотодыханием. УП у Севидов,
напротив, ниже, чем у Сз-видов, что обусловлено как меньшим числом
устьиц на единицу площади листьев, так и меньшими размерами ■
устьичных щелей.
Однако суммарная проводимость листа для молекул СОг в целом
выше для С4-растений, что определяет преимущество последних по
ИФ. Относительную роль устьиц в регуляции фотосинтеза можно
оценить, вычисляя отношение сопротивления устьиц к суммарному
сопротивлению листа для молекул СОг- Чем выше это отношение, тем
сильнее сказывается относительное лимитирование поглощения СО2
за счет диффузии через устьица. Эта величина обычно равна 0,6—0,8
для Сз-видов и 0,2—0,4 для Севидов, что указывает на доминирующую
роль устьиц у Сз-видов.
Фотохимическое лимитирование фотосинтеза. Скорость фотосинтетического метаболизма часто ограничивается поступлением
энергии в форме АТФ и НАДФ-Н, образующихся в мембранах
хлоропластов за счет энергии поглощенного света. Считается, что
звено, ограничивающее скорость транспорта электронов, находится
между ФС1 и ФСП. При этом существует корреляция между
транспортом электронов и количеством цитохромов Ь- и /-типов,
пластохинона и сопрягающего фактора, связанного с мембранами.
Возникает вопрос: что лимитирует скорость фиксации СО2 при
оптимальных условиях — световые или темновые реакции?
В исследованиях, выполненных на кафедре физиологии растений
ТСХА на растениях кукурузы, показано, что при нормальных
физиологических условиях скорости этих двух процессов сравнимы и,
следовательно, каждый в отдельности не может рассматриваться как
фактор первого лимитирования. При этом различия в активности ЭТЦ
не сказываются на ИФ. Это можно понять, если принять во внимание,
что фотосинтез — иерархический процесс, пространственная шкала
организации которого простирается от 10-27 до 105 м3, а временная —
от 10-15 (первичные фотохимические процессы) до 10 с (первичная
продуктивность в полевых условиях).
В силу значительной буферности и множественных взаимодействий изменение в каком-либо звене фотосинтеза далеко не всегда
может привести к ожидаемому ответу всей системы. Поэтому при
определении фотосинтеза в полевых условиях информация о процессе,
идущем на молекулярном уровне, например скорости транспорта
электронов, может оказаться мало полезной для интерпретации
колебаний ИФ. Таким образом, чем большее число эндогенных
факторов вводится в общую систему регуляции фотосинтеза, тем
меньше возможностей для того, чтобы улучшение организации на
низших уровнях привело к повышению интегрального фотосинтеза.
Биохимическое лимитирование фотосинтеза. Реакции, катализируемые РДФ-карбоксилазой/оксигеназой, — наиболее вероятное
звено лимитирования скорости ассимиляции СОг. Скорость реакции
карбоксилирования является функцией количества фермента,
присутствующего в хлоропласте; концентрации субстратов (СО2, О2 и
РДФ) вблизи фермента; степени активации фермента. Содержание
карбоксилазы в листьях Сз-растений 2,0—3,5 г/м2, что достаточно для
обеспечения довольно высокой скорости фотосинтеза. Белок РДФкарбоксилазы представляет большую часть растворимого белка
листьев у Сз-видов, чем у С4-видов.
Карбоксилирующий фермент, как правило, содержится в листьях в
избыточном для поддержания текущего фотосинтеза количестве и
поэтому вряд ли ограничивает ассимиляцию COj. Скорость
ферментативной реакции скорее всего лимитируется снабжением
субстратом рибулозодифосфатом, особенно если недостаточна
скорость поступления энергии из световой фазы. Несмотря на то что у
С4-видов первым ферментом карбоксилирования является ФЭПкарбоксилаза, а не РДФ-карбоксилаза, как у С3-, так и у С4-видов
существует очень тесная корреляция между ИФ и активностью РДФкарбоксилазы. При этом преимущество С4-цикла состоит в том, что
благодаря концентрированию СО2 в клетках обкладки проводящих
пучков фотодыхание и связанное с ним потребление энергии
снижаются до очень низкого уровня. Однако энергия, сэкономленная
за счет подавления фотодыхания, примерно равна энергии,
затраченной на концентрирование СО2. Поэтому основным
преимуществом С4-цикла можно считать то, что РДФ-карбоксилаза у
С4-видов функционирует в условиях насыщающих концентраций СО2Гормопальный эффект. Из донорного листа наряду с ассимилятами экспортируются синтезируемые в хлоропластах вещества
гормональной природы, в том числе абсцизовая кислота (АБК). При
торможении экспорта ассимилятов, например, путем удаления бобов у
сои устьичная проводимость и ИФ резко снижаются. Одновременно
содержание АБК в листе в сравнении с контролем возрастает в 10 раз.
Это приводило к закрыванию устьиц и торможению фотосинтеза.
Частичное удаление корней, где синтезируется цитокинин,
транспортируемый по ксилеме водным током, также подавляло
фотосинтез листьев. Так, после декапитации корней у молодых
растений фасоли ИФ резко снижалась. Избыточного накопления
углеводов в листьях при этом не установлено, что указывает на
важную роль фитогормонов в эндогенной регуляции фотосинтеза.
Донорно-акцепторные отношения. ИФ листа (донор) сильно
зависит от запроса на ассимиляты со стороны потребляющих органов
(акцептор). Так, удаление клубней с растений картофеля или
плодоэлементов у томата подавляло фотосинтез, а увеличение спроса
на ассимиляты или усиление «силы» акцептора, напротив,
стимулировало ассимиляцию СО2 листьями. Например, частичная
дефолиация молодых растений яблони или кукурузы резко увеличила
ИФ оставшихся листьев для того, чтобы удовлетворить запрос
акцепторов на ассимиляты. Удаление колоса у пшеницы снизило ИФ
флагового листа на 40 %, а последующее затенение нижних листьев
практически восстановило ИФ на прежнем уровне, поскольку
флаговый лист остался единственным источником ассимилятов.
Изменение ИФ в онтогенезе растения также можно объяснить
изменением запроса на ассимиляты. Так, в период роста
плодоэлементов у растений гороха, пшеницы, яблони и других культур
высокая
Дни после ВсхоОод
Рис. 44. Динамика фотосинтетических параметров в ходе старения второго листа
пшеницы (по Р. Camp, 1982):
I — транспорт электронов; 2— содержание хлорофилла; 3— интенсивность фотосинтеза; 4 — РБФкарбоксилаза; 5 — водорастворимый белок
ИФ отмечена у листьев, обеспечивающих прежде всего рост и развитие
плодов.
Накопление углеводов. В
многочисленных экспериментах
повышенная
концентрация
сахарозы или крахмала в листе
рассматривалась как один из
важных
факторов,
обусловливающих снижение ИФ.
Однако в последние годы
появились данные, которые не
позволяют
однозначно
интерпретировать влияние высокой
концентрации
углеводов
на
фотосинтез листа. Так, в опытах
Г. Торн и Н. Коллер (1974) на сое
полностью были затенены бобы,
стебли, листья, за исключением
одного листа, чтобы усилить
фотосинтез последнего. Через неделю после затенения ИФ
возросла на 50 %, одновременно
резко увеличилась мезофильная
проводимость при неизменной Рис. 45. Скорость газообмена (в) и копроводимости устьиц, снизилось эффициент эффективности роста (КЭР) (б) в
пшеницы (по
содержание
крахмала, онтогенезе посева
Р. Gebraud, 1982):
увеличилось
содержание
1 — фотосинтез; 2 — дыхание
сахарозы и РДФК в донорном
листе. Таким образом, множество
параметров могли влиять на повышение фотосинтеза, в том числе
вещества гормональной природы, которые в данном случае не были
идентифицированы. Поэтому увязывать высокую ИФ только с низким
содержанием крахмала в донорном листе или наоборот нет оснований,
хотя избыточная концентрация крахмала, по данным А. Т.
Мокроносова (1982), может вызвать серьезные нарушения
фотосинтетических процессов.
Возраст листа (растения). ИФ, как правило, быстро возрастает в
период интенсивного роста листовой пластинки, достигая наибольших
значений у завершившего рост листа. Затем начинается постепенное
снижение ИФ, которое обусловлено параллельным уменьшением
проводимости устьиц и мезофилла для молекул СО2. Одной из причин
снижения МП является уменьшение содержания хлорофилла в
результате деградации хлоропластов по мере старения листа (рис. 44).
Скорость транспорта электронов по ЭТЦ и активность ключевого
фермента фотосинтеза РДФК, снижаясь одновременно с содержанием
хлорофилла, тесно коррелируют с ним. Следовательно, снижение
скорости реакций ни световой, ни темновой фазы в отдельности не
может определять уменьшение фотосинтеза в ходе старения листа.
ИФ целого растения или участка посева достигает максимума в
13.3
фазе цветения—бутонизации и затем постепенно снижается, достигая
наименьших значений перед созреванием репродуктивного органа
(рис. 45). Подобный колоколообразный ход ИФ объясняется
формированием определенного индекса листовой поверхности (ИЛП)
в онтогенезе растения в посеве. При определенном значении ИЛП,
специфичном для каждой культуры, относительное постоянство ИФ
растения будет поддерживаться на постоянном уровне до тех пор, пока
старение и отмирание старых листьев компенсируются вновь
образующимся листовым аппаратом. Вслед за прекращением роста
листьев начинается снижение ИФ посева в результате уменьшения
площади листьев и увеличения вклада дыхания в суммарный СО2
обмен посева по мере формирования репродуктивного органа.
2.9. ЗАВИСИМОСТЬ ФОТОСИНТЕЗА
ОТ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
Интенсивность света. Непосредственно в ходе процесса фотосинтеза используется лишь 1—3 % поглощенной солнечной энергии
(ФАР), измеряемой в соответствии с международными системами
единиц в мкмоль фотонов/(м2-с). На дневном солнечном свету в
безоблачный день 1 мкмоль/(м2с) ФАР = 0,22 Вт/м2 = = 0,32 ■ 10-3
кал/(см2-мин) при условии, что ФАР составляет 42 % общей радиации.
Что касается общей радиации, то 1 килолюкс (клк) = 10 Вт/м2 = 14,3 ■
10-3 кал/(см2-мин).
Ответная реакция фотосинтеза на поток фотонов выражается
световой кривой по типу параболы, состоящей из двух фаз (рис. 46).
Первая фаза представляет собой линейную зависимость
интенсивности фотосинтеза от потока квантов со световым
компенсационным пунктом (СКП) в точке пересечения линии
указанной зависимости с осью х. Вторая фаза — постепенное
уменьшение наклона кривой по мере возрастания потока квантов и ее
выход на плато, когда ИФ максимальна при ее насыщении светом. В
линейной фазе световой кривой ИФ ограничивается активностью
РДФ-карбоксилазы, а на плато фотосинтеза — скоростью регенерации
РДФ.
Фотосинтез у большинства культурных Сз-растений насыщается
при освещенностях значительно ниже, чем полный солнечный свет,
равный 2200 мкмоль/(м2-с). Однако в посевах с высоким листовым
индексом многие листья находятся в условиях недостаточного
освещения из-за взаимного затенения. В результате у посевов в
отличие от листьев линейная фаза световой кривой длится гораздо
дольше и светового насыщения видимого фото
синтеза не наблюдается. Не установлено
светового
насыщения
фотоассимиляции СОг листьями и у
С4-видов.
Максимальный
фотосинтез у С4-растений оказался
значительно выше, чем у Сз- видов,
при нормальной температуре (рис.
47) и был равен или ниже при низких
положительных
температурах.
Максимальный фотосинтез сильно
различается как между Сз- и С4типом фотосинтеза, так и в пределах
каждого типа метаболизма углерода.
Так, у травянистых С4-растений он
колебался в пределах 32—66 мкмоль Рис. 46. Идеализированные световые
СО2/(М2-С). Сорта сельскохозяй- кривые фотосинтеза различных видов:
— кукуруза, сорго, сахарный тростник; Б —
ственных культур (пшеница, ку- Асоя,
хлопчатник, люцерна; В — табак, клевер
куруза, хлопчатник и др.), не раз- луговой, ежа сборная;
комнатные растения
личаясь достоверно по интенсивности текущего фотосинтеза, имели
разный максимальный фотосинтез. Кроме текущего и максимального различают потенциальный
фотосинтез, т. е. ассимиляцию СО2 при насыщающей освещенности и
концентрации СО2-С4-растения, как правило, превосходят Сз-виды по
этому показателю.
Радиация, соответствующая точке изгиба световой кривой, названа
X. Г. Тоомингом (1977) радиацией приспособления (РП). КПД
фотосинтеза при РП достигает максимальных значений. Сорта с
меньшей РП предпочтительнее, чем сорта с высокой РП, в посевах с
15 20
25 30 35
Температура, °C
Облученность
6
Рис. 47. Типичные кривые температурной зависимости фотоассимиляции СО2, Сз- и Сзрастепий (о) и световые кривые фотосинтеза Сз- и С4-растений при разной температуре
(б). Стрелкой показана максимальная солнечная радиация (по G. Edwards и D. Walker,
1983)
высоким индексом листовой поверхности.
По мнению Ю. Л. Цельникер (1982), диапазон интенсивностей
света при выращивании растений можно разбить на два участка —
физиологический и стрессовый (недостаток или избыток света). В
пределах первого процесс адаптации направлен на сохранение
состояния гомеостаза в отношении прироста органического вещества
при изменении прихода ФАР. Это достигается за счет того, что
теневые листья, имея большую в сравнении со световыми поверхность,
используют ФАР на фотосинтез с более высоким КПД. Действительно,
при умеренном свете (10—50 % среднедневной интенсивности)
образуются наиболее крупные листья с большими размерами клеток.
В результате у листа теневой структуры внутренняя поверхность
клеток превышает поверхность листа в 16—20 раз, а у светового листа
— в 40—65 раз.
Количество гран, тилакоидов в гранах и межгранных ламелл
наиболее высокое у крупных теневых хлоропластов и меньшее — у
световых. Число хлоропластов, приходящихся на единицу поверхности листа, а также соотношение хлорофиллов а : Ь, напротив,
значительно выше у светового листа. Повышение интенсивности света
в диапазоне слабого освещения ведет к увеличению хлоропластов, но
число их в клетке не меняется. По достижении пороговой
интенсивности размеры хлоропластов становятся максимальными.
Дальнейшее увеличение интенсивности света при выращивании
растений способствует увеличению числа хлоропластов в клетке и
уменьшению их размеров. Для продуктивности растений наименее
благоприятна периодичность смены интенсивности света в 1—10 мин,
тогда как периодичность смены в долях секунды, например мелькание
бликов в посеве, повышает продуктивность.
В стрессовом диапазоне ФАР, например, около СКП фотосинтетическая продуктивность будет меньше расхода органического
вещества, используемого на дыхание за сутки. В этом режиме растения
не смогут длительно существовать даже в условиях одиночного
выращивания. При освещенности ниже СКП наблюдается высокое
дыхание
растений
в
результате
переключения
с
фотофосфорилирования на окислительное фосфорилирование для
синтеза энергетических эквивалентов. Интересными представляются
попытки вести отбор форм культурных растений в посеве на низкую
величину СКП, коррелирующую с устойчивостью растений к высокой
плотности посева. Подобный отбор возможен даже среди С4-культур
— облигатных светолюбов, имеющих, как правило, более высокие в
сравнении с Сз-расте- ниями значения СКП.
i Спектральный состав света. ИФ сильно зависит от качества Света.
Поскольку максимумы поглощения хлорофиллом квантов света
находятся в синей и красной областях спектра, рассмотрим влияние
именно этих лучей на фотосинтез и его составляющие. Согласно
квантовой теории 1 Дж красных лучей содержит в 1,5 раза больше
квантов, чем 1 Дж сине-фиолетовых лучей. При выравнивании синего
и красного света по падающим квантам ИФ оказывается выше на
красном свету (КС), чем на синем (СС) и белом (БС). Однако на
насыщающем свету преимущество переходит к СС. У растений,
выращенных на СС, насыщение фотосинтеза происходит при более
высокой освещенности и они эффективнее используют более мощные
лучистые потоки, чем растения, выращенные на КС.
Качество света не влияет на число и размеры хлоропластов в
завершившем рост листе, поэтому различия по ИФ обусловлены
главным образом активностью единичного хлоропласта, которая выше
у растений на СС. Это объясняется тем, что СС активирует
деятельность белоксинтезирующей системы клетки и хлоропласта,
значительно повышая активность РДФ- и ФЭП-карбок- силазы. Кроме
того, скорость транспорта электронов и фотофосфорилирования также
выше на СС,. чем на КС и БС, что является необходимым
энергетическим условием активного фотосинтеза. В основе подобной
реакции листа на качество света лежит изменение его гормонального
статуса. КС положительно влияет на содержание и состав
гиббереллинов и цитокининов, а СС — цитокининов.
Выращивание на СС стимулирует включение продуктов фотосинтеза в белки и липиды, а на КС — растворимые углеводы и крахмал.
Эти различия отмечены у С3- и Сд-растений, одно- и двудольных
растений в широком диапазоне концентраций СО2 и интенсивностей
света. Эффект добавления даже 20 % синего света к красному подобен
эффекту монохроматического СС. Это явление можно использовать в
теплицах, где применяют искусственные источники освещения. Так,
лампа ДРИ-2000-6 с высокой долей сине-фиолетовых лучей в спектре
значительно активирует фотосинтез и накопление биомассы у
кукурузы. Однако реакция растений, особенно закрытого грунта, на
качество света видо- и даже сортоспецифична, что следует учитывать
при подборе необходимых источников облучения в теплицах.
Концентрация СОг и О2. С середины прошлого века по настоящее
время концентрация СО2 в атмосфере возросла с 0,029 до 0,033 %, и
при сохранении темпов прироста к 2025 г. она может удвоиться.
Зависимость ИФ от концентрации СО2 в воздухе выражается
углекислотной кривой фотосинтеза, имеющей вид прямоугольной
гиперболы для С4-растений и непрямоугольной — для Сз-растений.
Углекислотное насыщение фотосинтеза у Срастений, имеющих
механизм концентрирования СО2, происходит при содержании
двуокиси углерода, близком к естественному. Его дальнейшее
повышение, как правило, не увеличивает ИФ в отличие от Сз-видов, у
которых ИФ значительно
возрастает. В результате Сз-виды, уступая С4-видам по ИФ в
нормальных условиях, превосходят их при высокой концентрации
СО2, например при 0,1 %.
Углекислотный компенсационный пункт (УКП) или концентрация
СО2, при которой фотосинтез и дыхание листа уравновешивают друг
друга, значительно ниже для С4- (0,0005 %), чем для Сз-видов (0,005
%). Поэтому при совместном выращивании в замкнутом объеме в
результате постепенного снижения содержания СО2 Сз-растения
погибают раньше, чем С4-растения. Это объясняется более высоким
сродством ФЭП-карбоксилазы, первичного карбоксилирующего
фермента у С4-растений, к субстрату (СО2), чем РДФ-карбоксилазы у
Сз-растений. Этот подход может оказаться весьма полезным в
селекции при отборе линий и форм сельскохозяйственных культур с
низким УКП, способных «выедать» из воздуха минимальные
концентрации СО2.
С увеличением концентрации О2 выше атмосферной ИФ подавляется в результате активации фотодыхания (рис. 48), а при
снижении содержания кислорода, наоборот, ИФ возрастает. Измерение скорости видимого фотосинтеза при нормальном содержании
СО2 и О2 и при 3 % О2 часто используют для оценки скорости
фотодыхания.
Наиболее однозначной реакцией растений на длительное выращивание при повышенной концентрации СО2 являются увеличение
площади листьев, уменьшение листовой обеспеченности биомассы,
возрастание чистой продуктивности фотосинтеза (ЧПФ). Это
сопровождается существенной структурной и функциональной
перестройкой фотосинтетического аппарата: увеличением толщины
листовых пластинок за счет возрастания размеров клеток столбчатой и
губчатой паренхимы, снижением содержания хлорофилла, а также
отношения хлорофилла а к хлорофиллу Ь.
Существенное увеличение ИФ обусловлено в основном увеличением проводимости мезофилла, активности РДФ-карбоксилазы и
снижением УКП. Однако
длительное (несколько недель)
выращивание растений в атмосфере
повышенной
концентрации СО2 снижало эффект
этого приема, что выражалось в
ингибировании
фотосинтеза.
Размеры
как
начальной
стимуляции фотосинтеза, так и
последующего его подавления
Концентрация С02>«
носят соргоспеци- фический
д.
характер.
Так,
недеРис. 48. Скорость газообмена сои при
терминированные
сорта
сои
с
различающихся концентрациях СО? и О2
большим числом точек роста
(по W. Hitz, 1978)
лучше реагируют на повышение
содержания СО2, чем детерминированные. Эффект повышенной концентрации СО2 увеличивается
также при низкой освещенности, например в теплицах зимой. Это
объясняется снижением СКП, что увеличивает период чистого
накопления углерода, особенно для самых нижних листьев в посеве.
Кроме того, при недостатке света в растении возникает повышенный
спрос на ассимиляты, что удовлетворяется за счет усиления
фотосинтеза при увеличении концентрации СО2.
Бобовые культуры наиболее отзывчивы на обогащение атмосферы
СО2, особенно при достаточной облученности. Это объясняется тем,
что симбиотическая азотфиксация перехватывает значительное
количество ассимилятов, предназначенных для ростовых процессов. В
условиях постепенного иссушения почвы и повышенной
концентрации СО2 среди 13 Сз-видов наибольшее увеличение
площади листьев отмечено у люцерны (в 1,75 раза) и пшеницы (в 1,68
раза), наименьшее — у клевера ползучего (в 1,36 раза), имеющего
строго детерминированный рост, и С4-ВИД0В (кукурузы, сорго и
амаранта).
Разная реакция С3- и Севидов на повышенную концентрацию СО2
исключительно
важна
для
их
конкурентоспособности
в
агрофитоценозах. Так, в искусственном ценозе Сз-растения сои при
обогащении СО2 превосходили Ссорняк Sorghum halepense L. по
накоплению биомассы, но уступали ему при нормальной
концентрации СО2. При повышении содержания СО2 в атмосфере
меняется также характер конкуренции между Сз-видами в ценозе. Так,
клевер, уступающий райграсу в травосмеси по накоплению биомассы
в нормальных условиях, значительно опережал его при обогащении
СО2.
Однако наиболее пристального внимания заслуживает конкуренция С3- и С4-культурных и сорных растений в посеве при
повышенном содержании СО2. Среди 15 наиболее важных сельскохозяйственных культур 12 относятся к растениям с Сз-цик- лом. С
другой стороны, 14 из 18 наиболее злостных сорняков в мире
представлено С4-видами. Среди них свинорой, сыть округлая, гумай,
куриное просо, щетинник и др. В то же время 19 из 38 типичных
сорняков кукурузы — С4-вида — имеют Сз-цикл метаболизма
углерода.
Несмотря на то что прямой физиологический эффект обогащения
СО2 благоприятствует больше Сз-культурным растениям, учет
взаимодействия основных факторов в конечном итоге может дать
преимущество посевам С4-культур, особенно если принять во
внимание повышение температуры и увеличение вероятности
наступления засухи при повышении содержания СО2 в атмосфере. В
этих условиях конкурентное равновесие между Сз-культурными
растениями и Сз-сорняками в посеве, а также между С4сельскохозяйственными культурами и С4-С0-
рняками может сдвинуться в сторону сорных растений вследствие
лучшей адаптации последних к неблагоприятным условиям
выращивания и снижения эффективности использования гербицидов.
Известно, что температура, влажность почвы и воздуха могут
существенно влиять на действие гербицидов. Антитранспирант- ное
действие высокой концентрации СО2 тормозит поглощение корнями,
дальний транспорт и последующую метаболизацию системных
гербицидов, внесенных в почву, а изменения в анатомии и поверхности
листьев (опушенность, восковой налет и др.) снижают некорневое
поглощение гербицидов листьями при опрыскивании посевов и
создают опасность повреждения культурных растений. Химическая
борьба с сорняками, особенно многолетними, затрудняется также изза формирования мощной корневой системы в результате
перераспределения большей доли ассимилятов к корням в условиях
повышенной концентрации СОз- Таким образом, повышение
устойчивости к неблагоприятным факторам среды, изменение
структуры и видового состава агрофитоценозов в результате
конкуренции, выведение сортов, адаптированных к высоким
концентрациям СО2, производство новых гербицидов — все это
необходимо принимать во внимание при разработке технологии в
условиях постепенного повышения концентрации СО2 в атмосфере.
Температура. Влияние температуры на фотосинтез бывает обратимым и необратимым. В первом случае указанное влияние не
выходит за пределы устойчивости отдельных звеньев фотосинтеза,
определяемых
генотипом
и
предысторией формирования листа.
Для
большинства
растений
обратимое влияние на фотосинтез
наблюдается в диапазоне температур
от 5 до 35 °C (рис. 49), где скорость
реакций световой фазы независима
от температуры, а скорость реакций
темновой фазы, напротив, отличается
высокой
температурной
чувствительностью с Фю 2—3. При
температурах
за
пределами
устойчивости
физиологических
систем листа наблюдается необратимая потеря фотосинтетической
активности. В этом случае скорость
некоторых
реакций,
например
синтеза АТФ и НАДФ-Н в мембранах
хлоропластов,
снижается
и
Рис. 49. Зависимость фотосинтеза и
становится лимитирующей.
дыхания листьев пшеницы от темпеЗависимость
активности
ратуры (по Р. Gardner, 1985):
отдельных звеньев фотосинтеза от
1 — истинный фотосинтез; 2 — видимый
фотосинтез; 3 — дыхание
температуры
определяется
условиями выращивания. Так, при
повышенной концентрации СО2
более резко проявляется температурная зависимость активности РДФкарбоксилазы, а фотодыхание сильно подавлено. Температурный
оптимум фотосинтеза зависит также от уровня радиации при
выращивании:
с
уменьшением
освещенности
снижается
температурный оптимум фотосинтеза.
Температурная зависимость С3- и Сцикла метаболизма углерода
существенно различается. Срастения, например кукуруза, способны
поддерживать более высокую скорость фотосинтеза при повышенной
температуре, чем пшеница (Сз-растение). Вместе с тем С3- и
Срастения, произрастающие в теплом климате, имеют более высокий
температурный оптимум, и их фотосинтез не очень сильно
ингибируется при повышенных температурах по сравнению с
фотосинтезом видов, адаптированных к холоду.
При низкой температуре виды, адаптированные к холоду, наоборот,
имеют более высокую скорость поглощения СО2, чем те же виды,
адаптированные к теплу. Это объясняется тем, что виды,
адаптированные к холоду, содержат больше растворимых ферментов и
компонентов мембран, катализирующих важные реакции метаболизма
углерода. Так, у кукурузы по сравнению с пшеницей при
субоптимальных температурах фотосинтез сильнее лимитируется
недостаточной активностью РДФ-карбоксила- зы. Свойства
определенных компонентов хлоропластов также оказывают влияние
на диапазон устойчивости фотосинтетического процесса. Так,
температуры выше температурного максимума фотосинтеза влияют на
организацию мембранных белков хлоропластов (хлорофилл-белковые
комплексы, белки реакционных центров и система выделения
кислорода), входящих в ФСП. При этом флюоресценция хлорофилла
резко возрастает в результате нарушения связей между хлорофиллбелковыми комплексами и фотохимическими центрами ФСП.
Изменение флюоресценции используют в качестве быстрого способа
выявления различий в устойчивости растений к тепловому стрессу.
В отличие от действия высокой температуры нарушения фотосинтетических процессов в листьях при низких температурах
обычно происходят лишь после длительного воздействия. Понижение
температуры в сочетании с ярким освещением оказывает более
негативное действие, чем одно только понижение температуры. Это
можно объяснить нарушением встраивания хлорофилла в мембрану
хлоропласта, различием в действии этих температур на скорости
реакций, ответственных за синтез компонентов мембран. Среди
последних важное место занимает повышение вязкости мембран.
Водный режим. Несмотря на то что при фотосинтезе используется
лишь около 1 % поглощенной воды, дефицит последней сильно влияет
на фотосинтез. Закрытие устьиц в результате водного дефицита
вызывает снижение транспирации и поглощения COj листьями.
Последнее объясняется наряду с повышением устьичного
сопротивления и снижением содержания хлорофилла тем, что водный
дефицит может непосредственно изменять эффективность отдельных
звеньев
фотосинтеза.
Так,
транспорт
электронов
и
фотофосфорилирование в листьях подсолнечника, не испытывавшего
ранее водного стресса, ингибируется при давлении примерно —1,1
МПа и снижается до нуля при —1,7 МПа. Потеря способности к
фотофосфорилированию связана с разобщением транспорта
электронов и фосфорилирования в связи с изменением конформации
тилакоидных мембран и непосредственно сопрягающего фактора. В
результате нарушается сопряжение скоростей транспорта электронов
и ассимиляции COj. Одновременно ингибируется активность РДФкарбоксилазы. Прямое отрицательное действие водного стресса на
скорость световых, темновых реакций и на ИФ в целом может быть
опосредовано влиянием фитогормонов. Если абсцизовая кислота
вызывает закрывание устьиц, то цитокинины, наоборот, обусловливают их открывание, а также активируют фотосинтез путем
стимулирования синтеза хлорофилла и ферментов. Снижение
поступления цитокининов из корней в листья при водном дефиците
снимает стимулирующие эффекты.
Реакция фотосинтеза на снижение влагообеспеченности строго
видо- и сортоспецифична и обусловлена засухоустойчивостью
объекта. Например, активность РДФ-карбоксилазы в листьях пшеницы
и ячменя при уменьшении водного потенциала до —3,3 МПа
снижалась в 2 раза, что заметнее, чем у фасоли. Сорт кукурузы старой
селекции Воронежская 47, отличающийся засухоустойчивостью, имел
более высокую активность РДФ- и ФЭП- карбоксилазы при дефиците
влаги, чем гибрид современной селекции КВС 701.
Фотодыхание, хотя и снижается по мере усиления водного
дефицита, менее чувствительно к водному стрессу, чем ассимиляция
СС>2. В результате, как показал Дж. Бойер (1970), на целом ряде
культур отношение скорости фотодыхания к скорости истинной
ассимиляции СО2 увеличивается по мере снижения водного
потенциала.
Это
обусловливает
повышение
межклеточной
концентрации СО2 и углекислотного компенсационного пункта, что
свидетельствует о снижении видимого фотосинтеза. В данном случае
фотодыхание используется как клапан для сброса избыточной
фотохимической энергии, не полностью используемой в цикле
Кальвина в результате его подавления. Если бы у
Сз-растений фотодыхание было сопряжено с генерацией энергии, то
выигрыш в сухой массе перевешивался бы потерей этой защиты. У С4растений, обладающих незначительным фотодыханием, в качестве
потребителя избыточной фотохимической энергии может служить
обмен метаболитами между клетками мезофилла и обкладкой
проводящих пучков.
В основе регуляторной системы, координирующей фотосинтетическую способность листа и устьичную проводимость при дефиците
влаги, лежит принцип компромисса между ассимиляцией СО2 и
испарением воды. Основная роль устьиц в этом процессе состоит в
том, чтобы поддерживать такую межклеточную концентрацию СО2,
которая обеспечила бы фотосинтез в зоне изгиба углекислотной
кривой фотосинтеза. Именно в этой зоне достигается максимальная
эффективность транспирируемой воды, т. е. на каждый грамм воды
поглощается максимально возможное количество СО2. При этом
устьица регулируют свою открытость таким образом, чтобы
поддерживать
соотношение
межклеточной
и
атмосферной
концентрации СО2 относительно постоянным (0,6—0,7 и 0,3—0,4 для
С4- и Сз-растений соответственно).
Реакция фотосинтеза на дефицит влаги зависит от множества
сопутствующих факторов: возраста листа, донорно-акцепторных
отношений, предыдущих условий и скорости наступления стресса.
Фотосинтез листа наиболее чувствителен к дефициту влаги, как
правило, в период роста. С завершением роста и по мере постепенного
старения листа устойчивость ассимиляции СО2 возрастает. Последняя
прямо коррелирует с напряженностью донорно-акцепторных
отношений. Так, например, чем больше плодов на растении томата,
тем устойчивее к дефициту влаги фотосинтез листьев,
непосредственно
обеспечивающих
плоды
ассимилятами.
Устойчивость фотосинтеза к водному стрессу повышается с
увеличением концентрации СО2 в воздухе и при повторном
наступлении стресса. Это следует учитывать в современных
технологиях в связи с постепенным повышением концентрации СО2 в
атмосфере.
Чувствительность ассимиляции СО2 к недостатку влаги сказывается также на дневном ходе фотосинтеза. При оптимальном
водоснабжении ИФ в течение дня, как правило, достигает максимума
в полдень, следуя за ходом радиации, а затем постепенно снижается.
Дефицит влаги вызывает дневную депрессию фотосинтеза и при этом
тем глубже и раньше, чем сильнее недостаток влаги, испытываемый
растениями, и ниже засухоустойчивость вида. Степень и длительность
полуденной депрессии фотосинтеза часто используют для диагностики
засухоустойчивости сортов сельскохозяйственных культур.
Минеральное питание. Элементы минерального питания (N, Р, К,
Fe и др.) могут' влиять на ИФ прямо или косвенно, через обмен веществ
и рост. Прямое действие на фотосинтез связано с тем, что минеральные
вещества входят в состав ферментов и пигментов или непосредственно
участвуют в процессе фотосинтеза в качестве активаторов. Например,
ЛО
марганец служит активатором фотолиза, калий имеет отношение к
переносу протонов через мембраны тилакоидов, железо, кобальт, медь
содержатся в различных ферментах, фосфат — в нуклеотидах.
Недостаток минеральных веществ или нарушенное соотношение
между поглощаемыми элементами может повлиять на содержание
хлорофилла и на число, размеры и ультраструктуру хлоропластов,
даже если данные элементы не входят в состав молекулы хлорофилла,
как, например, железо. При недостатке железа возникают хлорозы,
приводящие к тому, что поглощение СО3, например у сахарной
свеклы, снижается более чем втрое. Аналогичные последствия
наблюдаются и при недостатке магния. При хлорозе растения ведут
себя как типично теневые и не могут использовать интенсивный свет;
сильно сокращается также продолжительность жизни листьев, они, как
правило, бывают мелкими.
Особое место среди элементов питания занимает азот. До 65 %
белка находится в хлоропластах, в том числе около 50 % в РДФкарбоксилазе. Азот влияет на размеры и ультраструктуру
хлоропластов, усиливая их гранальность; повышает содержание
белков — переносчиков ЭТЦ фотосинтеза, увеличивает ИФ и КПД
ФАР. Низкая ИФ листьев при дефиците азота обусловлена главным
образом повышением сопротивления мезофилла потоку СО3
вследствие недостаточной активности РДФ-карбоксилазы и снижения
скорости регенерации РДФ.
В нормальных условиях питания количество данного фермента в
листе избыточно, в результате чего ИФ нередко не реагирует на
дополнительное внесение азотных удобрений, несмотря на увеличение
количества хлорофилла и РДФ-карбоксилазы. Это объясняется тем,
что часть молекул фермента может быть неактивна и служит лишь в
качестве буфера для компенсации отрицательного влияния
возможного дефицита азота на фотосинтез.
По данным Г. Ламберса с сотрудниками (1989), эффективность
использования азота (ЭИА), измеряемая количеством СО3,
поглощенным единицей массы азота за единицу времени, увеличивается с повышением содержания N в листе до 2—2,5 %. По мере
дальнейшего его повышения ЭИА постепенно снижается. ЭИА у
Севидов выше, чем у Сз-видов, что объясняется более высокой
удельной активностью ФЭП-карбоксилазы Срастений по сравнению с
РДФ-карбоксилазой Сз-растений. Высокие величины ЭИА у
С4~растений дают им преимущество над Сз-вида- ми при конкуренции
на низком агрофоне и при высокой температуре. Это следует
учитывать при планировании мер борьбы с сорняками в посеве,
поскольку многие из злостных сорняков имеют С4-ЦИКЛ метаболизма
углерода.
Однако роль азота не ограничивается его влиянием только на
формирование фотосинтетического аппарата и функционирование
отдельных его звеньев. Активный метаболизм азота в листе — основа
лабильности фотосинтетического аппарата, т. е. его успешной
адаптации к быстрым изменениям освещенности и других факторов
внешней среды (рис. 50). Именно это присуще современным
высокопродуктивным сортам, что позволяет им при более активном по
сравнению со старыми сортами росте достичь высокой
продуктивности.
При недостатке фосфора сопротивление мезофилла поглощению
СОз листьями пшеницы и хлопчатника увеличивалось задолго до
появления устьичных эффектов. При этом особенно сильно
подавлялась скорость световых реакций фотосинтеза, что значительно
ингибировало фотоассимиляцию СО2.
Важная роль калия в функционировании замыкающих клеток
устьиц хорошо известна. У люцерны и сахарной свеклы при недостатке
калия
увеличивается
сначала
мезофильное
сопротивление
поглощению СО2, а затем устьичное. Основную роль в снижении
фотосинтеза при недостатке калия играет ингибирование
карбоксилазной активности, но не лимитирование транспорта
электронов.
Болезни растений. Грибные патогены, такие, как ржавчина и
мучнистая роса, не приводят к быстрой гибели растения-хозяина, так
как их развитие возможно только на живой ткани. ИФ больных
растений зерновых культур значительно ниже по сравнению со
нием структуры фотосинтетического аппарата, чем реакцией ус
здоровыми (рис. 51). Это объясняется
скорее нарушетьиц. Так, на фоне
незначительного
увеличения
устьичного сопротивления листьев
овса
и
ячменя,
пораженных
ржавчиной, особенно заметно резкое
падение числа хлоропластов на
единицу площади листа, объема
хлоропласта,
концентрации
хлорофилла
и
соотношения
хлорофиллов а и b в пределах
отдельной пустулы.
Нарушения пигментного аппарата
патогеном, в свою очередь, блокируют
нециклический транспорт электронов
и процессы фотофосфорилирования,
что
обусловлено
нарушением
50. Световая кривая фотосинтеза
функционирования
отдельных Рис.
листьев райграса на высоком (/) и
компонентов ЭТЦ, в частности низком (2) фоне азота (no М. Robson,
снижением количества цитохромов. A. Parson, 1978)
Аналогичная тенденция наблюдалась
также на листьях
d «С
сахарной свеклы, пораженных мучнистой росой, и конских бобов, инфицированных ржавчиной. Одновременно происходило резкое снижение как количества, так и
активности
РДФ-карбоксилазы,
связанное с нарушением метаболизма
нуклеиновых кислот в хлоропластах.
Отрицательное влияние бактериальных инфекций на фотосинтез
связано прежде всего с интенсивным
о
разрушением структуры хлоропласта,
что
обусловлено
активным
выделением бактериями токсинов в
ткань растения-хозяина. Например,
табтоксин, образуемый Pseudomonas
tabaci, подавляет активность РДФкарбоксилазы в листьях табака. Б.
Буханан с сотрудниками (1981)
выделил два типа влияний вирусов на
фотосинтез. В первом случае, как на
тыкве, вирусная инфекция снижает
0 12 3 15 6 7 Дни после
заражения
число хлоропластов, но оказывает
незначительное влияние на ИФ; во
Рис. 51. Влияние заражения листьев втором, как на китайской капусте, —
ячменя мучнистой росой на нетторезко
подавляет
фотоснитез (Л>), дыхание (А) и
фотофосфорилирование
и
фотосинтез,
фотодыхание (7). Контроль —
не оказывая заметного влияния на
неокрашенные символы (no Р. G.
мезоструктуру
листа.
Следует
Ayres, 1979)
заметить, что реакция фотодыхания
определяется
спецификой
взаимодействия патогена и растения-хозяина: отмечено как снижение,
так и увеличение скорости фотодыхания.
Взаимодействие факторов при фотосинтезе. В естественных
условиях факторы внешней среды действуют совместно. Поэтому
газообмен растения отражает взаимодействие всех внутренних и
внешних факторов. Согласно концепции лимитирующих факторов Г.
Блэкмана (1962), ИФ лимитируется тем фактором или процессом,
который в данных условиях протекает с наименьшей скоростью,
однако некоторое влияние оказывают и остальные факторы. Например,
с повышением освещенности оптимальная и максимальная
температуры видимого фотосинтеза повышаются на несколько
градусов. Для растений это выгодно, так как сильное освещение всегда
связано с нагревом листа. Если оно в конце концов приводит к
перегреву (или к затруднению водоснабжения), то свет уже перестает
быть фактором, определяю
щим фотосинтез, и ИФ снижается. Поэтому в естественных условиях в
дневных ходах фотосинтеза получаются не кривые светового
насыщения, как в лабораторных опытах, а кривые с оптимумом.
Аналогичным образом взаимодействуют свет и СОз- При повышении концентрации последнего радиация, при которой КПД
фотосинтеза достигает максимума, также должна увеличиться, что
следует иметь в виду при обогащении воздуха СО2 в теплицах в
зимний период. Хотя концепция лимитирующих факторов полезна в
качестве первого приближения к решению вопроса, в природе обычно
наблюдается взаимодействие факторов среды, не учитываемое этой
концепцией. Например, стрессовые факторы (засуха, жара или холод)
в сочетании с варьирующей концентрацией СО2 и О2 могут*влиять на
скорость фотосинтеза при интенсивностях света, сильно
лимитирующих фотосинтез. Это явно противоречит теории
лимитирующих факторов, так как в данном сдууае.фотосинтез уже
сильно ограничен светом. Подобный тип взаимодействия можно
понять, принимая во внимание, что ИФ при лимитирующей
освещенности определяется не только пропускной способностью
самого медленного этапа, но и его эффективностью.
2.10.
ПОСЕВЫ И НАСАЖДЕНИЯ
КАК ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ
2.10.1.
ИНДЕКС ЛИСТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ (ИЛП)
Различают критическое и оптимальное значения ИЛП. Первое
характеризует минимальную величину ИЛП, при которой поглощается
максимально возможное в данных условиях (90— 95 %) количество
падающей радиации (рис. 52) и достигается наибольшая скорость
накопления биомассы (рис. 53). Однако после достижения
критического значения ИЛП дальнейшее увеличение площади листьев
не приводит к существенному увеличению скорости роста посева
(СРП), а в посевах, характеризующихся формированием оптимального
ИЛП, она даже снижается. Таким образом, зависимость скорости
накопления биомассы посева от ИЛП в первом случае характеризуется
параболой с выходом на плато при критическом значении ИЛП, а во
втором — колоколообразной кривой с максимумом при оптимальном
значении ИЛП.
Критическое значение ИЛП, равное 4—7, характерно для посевов
зерновых, зернобобовых культур, сахарной свеклы и других, причем
более высокие значения отмечены для посевов с эректоидным
расположением верхних листьев в благоприятных
1 И7
Рис. 52. Поглощение ФАР посевами картофеля при разном ИЛП (по S. Khurana и J.
Mc.Laren, 1982)
условиях выращивания. Оптимальный ИЛП достигается в посевах
капусты кормовой, некоторых
трав.
Основной причиной различной
зависимости скорости накопления
биомассы в посеве от ИЛП в
указанных
случаях
являются
особенности изменения дыхания
посевов по мере увеличения
площади листьев. В первом случае
оно увеличивается только до определенного
значения
ИЛП,
равного критическому, а затем, как
и видимый фотосинтез посева,
выходит на плато. Во втором
случае дыхание возрастает по мере
увеличения листового индекса
линейно.
При хороших условиях выДни после всходов
ращивания
величина
оптимального ИЛП того или иного
Рис. 53. Связь между ИЛП, поглощенной
радиацией и скоростью роста посева в
сорта определяется его прионтогенезе растений:
способленностью к режиму
1 — поглощенная радиация; 2 — индекс листовой поверхности (ИЛП); 3 — чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ); 4— скорость
роста посева (СРП); 5 — накопленная биомасса
ФАР данной территории. Если
формирование оптимального значения ИЛП совпадает по времени с
максимальными
значениями
приходящей на посев ФАР, достигается наивысшая фотосинтетическая продуктивность и эффективность использования ФАР. В
противном случае значительное
количество
солнечной
энергии Рис. 54. Сезонный ход среднедневной
расходуется неэффективно (рис. 54). радиации и ИЛП посевов картофеля
Moorby и N. Mil- thorpe, 1975):
Поскольку при этом формирование (по1 J.
— среднедневная радиация; 2 — ИЛП
урожая лимитируется каким-либо
фактором, вопрос об оптимальном
ИЛП должен решаться опытным
путем.
Так, для селекции яровой пшеницы в степной части Поволжья В. А.
Кумаков (1975) обосновал вывод о бесперспективности увеличения
ИЛП в сравнении с районированными сортами. Для каждого
комплекса условий у одного и того же сорта и вида растений может
быть свой оптимальный график формирования площади листьев. С
площадью листьев у ряда культур наиболее тесно коррелирует
урожайность. Однако отмечены случаи отсутствия корреляций между
указанными параметрами, особенно при сильном загущении посевов и
избыточных дозах азотных удобрений. Это объясняется тем, что
урожайность растет не всегда наравне с увеличением площади листьев
и биомассы, а только при увеличении их до определенных величин,
после чего рост ее прекращается. Вместе с тем высокоинтенсивный
сорт Безостая 1 не снижает выхода зерна при накоплении биомассы
16—18 т/га, а у менее продуктивных сортов выход зерна снижается
уже при накоплении биомассы около 10 т/га.
2.10.2.
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ
Продуктивность посевов определяется наряду с ИФ и ИЛП
длительностью функционирования фотосинтетического аппарата,
характеризуемого показателем фотосинтетический потенциал (ФП)
посева. Фотосинтетический потенциал — это число «рабочих дней»
листовой поверхности посева, рассчитываемое как произведение
полусуммы площадей листьев за два последующих определения на
длительность периода между этими определениями в днях. ФП посева
теенб коррелирует как с биологической, так и с хозяйственной
продуктивностью растений и составляет в Нечерноземной зоне в
оптимальных условиях 2,5—3,0 для зерновых и 1,5—2,0 млн м2дней/га для картофеля. По многолетним данным И. С. Шатилова с
сотрудниками (1987), каждые 1000 ед. фотосинтетического
потенциала посевов формируют 2—3 кг зерна, 5—7 кг картофеля. На
избыточном
агрофоне
эти
величины
уменьшаются,
что
свидетельствует об ухудшении баланса углерода в результате
снижения показателей фотосинтеза.
По данным В. А. Кумакова (1975), рост урожайности селекционных
сортов яровой пшеницы обусловлен преимущественно увеличением
ИЛП и ФП, главным образом верхних листьев, а также доли ФП,
приходящейся на период колошение — спелость. Эванс с
сотрудниками (1975) установил, что колебания зерновой
продуктивности наполовину объясняются вариациями ФП. Наряду с
листьями значительный вклад в ФП растения и соответственно
ассимиляцию
СО2
вносят
стебли,
листовые
влагалища,
плодоэлементы, причем у таких культур, как овес и ячмень, вклад
метелки (колоса у ячменя) и листьев примерно одинаков и составляет
35—40 %. Поэтому сохранение здоровых плодоэлементов у этих
культур при защитных мероприятиях — непременное условие
устойчивого урожая. У ржи, наоборот, ведущая роль принадлежит
стеблю (50—55 %) и значительно уступают ему листья (20 %). Видимо,
поэтому селекционерам до сих пор не удается вывести
короткостебельные сорта ржи. У пшеницы основной вклад в
ассимиляцию СО2 вносят листья (57 %), особенно флаговый, и лишь
затем колос (12 %).
Указанные данные позволили польскому исследователю Е.
Нальборчику условно отнести к листовому типу пшеницу, стеблевому
— рожь, листо-колосовому — овес и ячмень. К стеблевому типу
относятся также выведенные за последнее десятилетие в бывш. СССР
и за рубежом сорта зернобобовых культур (горох, люпин, кормовые
бобы) с сильно редуцированными листовыми пластинками. Они
отличаются высокой устойчивостью к загущению, неполегаемостью, а
также экономным использованием ассимилированного углерода,
который не выделяется в виде СО2 в атмосферу в результате дыхания,
а повторно используется на фотосинтез стебля. Зерновая
продуктивность этих форм в расчете на одно растение ниже, чем у
облиственных форм, а с единицы площади — выше благодаря большей
густоте посева. Принадлежность культуры к определенному типу
необходимо учитывать при разработке агротехники, обработке
посевов регуляторами роста и гербицидами.
2.10.3.
ЧИСТАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ФОТОСИНТЕЗА
Накопление биомассы единицей площади листа за единицу
времени называется чистой продуктивностью фотосинтеза (ЧПФ).
Она, как правило, измеряется в граммах сухой массы на 1 м2 за сутки,
варьируя в зависимости от условий в широком диапазоне [7—20
г/(м2сут)]. ЧПФ характеризует среднюю эффективность фотосинтеза
листьев в посеве, но, как и ИФ, слабо коррелирует с конечным
урожаем. Она максимальна при низких величинах ИЛП, когда
большинство листьев хорошо освещены (см. рис. 53). С увеличением
ИЛП и соответственно усилением взаимного затенения листьев в
посеве, как и при избыточном азотном питании, значения ЧПФ
снижаются. ЧПФ не включает фотосинтез нелистовых органов
(стеблей, влагалищ листьев, колосковых чешуй и др.), который в
определенных условиях, например при дефиците влаги, может вносить
существенный вклад в формирование урожая. ЧПФ представляет
собой комплексный параметр, определяемый интенсивностью не
только фотосинтеза, но и дыхания. При одинаковой скорости этих
процессов у двух сортов ЧПФ будет выше у того, у которого больше
вклад надземных (фотосинтезирующих) органов в массу целого
растения. Произведение ЧПФ на индекс листовой поверхности равно
скорости роста посева (СРП). Максимальная СРП, по данным Б. И.
Гуляева (1989), составила 30—35 и 50—60 г/(м2-сут) соответственно
для Сз~ и Севидов.
По мере увеличения периода, в течение которого сохраняются
максимальные величины СРП, возрастает также биологическая
продуктивность посевов. Эффективность работы фотосинтетического
аппарата в посеве, характеризуемая КПД ФАР, достигает в этот период
6—8 %. Однако у большинства важнейших сельскохозяйственных
культур период высокоэффективной работы ценоза весьма
непродолжительный. У зерновых культур велики потери углерода на
темновое дыхание, а у таких культур, как сахарная свекла, картофель,
— на отмирание ботвы. Поэтому потенциальный урожай и значения
КПД ФАР за теплый период года у них значительно ниже оптимальных
и составляют в пересчете на хозяйственный урожай для кукурузы при
урожае 10 т/га 1,1 %, для пшеницы при урожае зерна 5 т/га около 0,5
%, для сахарной свеклы при урожае сухой массы корнеплодов 17,5 т/га
1,9 %. Средняя в мире урожайность пшеницы составляет 2 т/га,
кукурузы — 3,5 т/га, что соответствует значениям КПД ФАР соответственно 0,2 и 0,4 %.
Посевы по их средним значениям КПД ФАР подразделяют на
низкие — 0,5—1,5 %, средние — 1,5—3,0 и высокие — 3,0—5,0 %.
Значения КПД ФАР являются основным показателем продуктивности
и урожайности сельскохозяйственных культур. Поэтому повышение
значения КПД ФАР в результате применения прогрессивных
технологий и максимального использования продуктов фотосинтеза на
формирование урожая представляет собой главную задачу
растениеводства и селекции.
2.10.4.
РАДИАЦИОННЫЙ РЕЖИМ И СТРУКТУРА ПОСЕВА
Верхние листья в посеве поглощают как прямую, так и рассеянную
радиацию, в то время как самые нижние получают лишь небольшую
долю прямой радиации в виде солнечных бликов. Кроме того, нижние
листья поглощают радиацию, отраженную от поверхности растения и
почвы, а также пропущенную через верхние листья. От верхних к
нижним листьям изменяется не только мощность солнечного потока,
но и качество света в пользу главным образом инфракрасных лучей.
Ослабление радиации в посеве рассчитывается по уравнению,
предложенному М. Монси и Т. Саеки (1953):
li/lo — в ,
где It — ФАР ниже /-го слоя листьев; 10 — фотосинтетически активная радиация над
посевом; е —основание натурального логарифма (е— 2,71828); к— коэффициент
экстинкции посева; L — индекс листовой поверхности (ИЛП) /-го слоя листьев.
Таким образом, основными факторами, определяющими поглощение радиации посевом, служат ИЛП и характер листорасположения, главным образом угол отклонения от стебля, характеризуемый коэффициентом экстинкции.
Рассмотрим два типа архитектуры посева, наиболее распространенных среди сельскохозяйственных культур, в данном случае
райграса однолетнего и клевера (рис. 55). Эректоидные листья
верхнего яруса у райграса, занимающие лишь небольшую долю от
общей площади листьев, способствуют проникновению ФАР к
нижним ярусам листьев, в посеве и их активному фотосинтезу. У
клевера, наоборот, большая доля листьев находится в
верхнем ярусе, и они практически
горизонтальны,
улавливая
значительную часть радиации. В
результате нижние листья в посеве
не фотосинтезируют или даже
используют
на
дыхание
синтезированные верхними листьями ассимиляты. Для зерновых
культур
более
предпочтителен
первый тип архитектуры посева,
когда верхние листья близки к
эректоидным, а листья среднего
яруса, вносящего наибольший вклад
Рис. 55. ИЛП и угол отклонения
в фотосинтетический потенциал
листьев от стебля (а) по профилю
растения,
расположены
почти
посева травосмеси райграса (У) и
клевера (//) (no W. Wilson, 1959)
горизонтально.
- Рис. 56. Роль отдельных элементов продукционного процесса в накоплении биомассы.
Площади фигур пропорциональны относительному вкладу каждого фактора в накопление
биомассы (по Р. Gardner, 1985):
А — поглощение радиации нелистовыми органами; Б — поглощение радиации листьями; В —
распределение листьев по растению; Г— размещение растений в посеве
Последнее присуще наряду с клевером также посевам подсолнечника,
кормовых бобов, огурца и других культур.
Однако архитектура посева может меняться в онтогенезе растения
и зависеть от условий облученности. Так, например, после всходов,
когда ИЛП мал, наиболее предпочтительно горизонтальное, а не
вертикальное листорасположение. По мере увеличения ИЛП
происходит постепенный переход к более вертикальному
расположению верхних листьев и КПД ФАР увеличивается.
Критическое значение ИЛП меньше для посевов с горизонтальными листьями (клевер), чем с вертикальными (райграс). В
результате максимальная скорость накопления биомассы посевом
клевера достигается при ИЛП = 3, а посевом райграса — при ИЛП = 4.
Однако преимущества эректоидного типа листорасположения
достоверны главным образом в южных широтах. В
-tea умеренной зоне у сортов пшеницы, отличающихся углом наклона
верхних листьев, разницы в фотосинтетической деятельности и
урожайности не обнаружено.
Наиболее важной в регуляции структуры листового покрова в этих
условиях является борьба с полеганием, существенно снижающим (на
25 %) КПД ФАР. Из других особенностей структуры посева,
влияющих на поглощение ФАР и на урожай, можно отметить
генотипические различия в коэффициентах отражения и пропускания
ФАР листьями, частоту образования солнечных бликов по профилю
посева, удельное распределение площади или массы листьев в единице
объема посева, ориентацию листьев в рядках, гелиотропные движения
листьев по направлению к солнцу или от него (рис. 56). По сравнению
с углом наклона листьев каждая из этих особенностей имеет
небольшое значение. Одновременное объединение указанных
преимуществ структуры посева могло бы дать ощутимый выигрыш в
урожайности, что и лежит в основе представлений об идеатипе
растений. Однако создание идеатипа для конкретного региона
представляет собой трудновыполнимую задачу ввиду того, что
положительные и отрицательные особенности сугубо индивидуальны
для каждой ситуации и часто компенсируют друг друга.
2.10.5.
ПАРАМЕТРЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПОСЕВА
Оптимальным считается фотосинтез, адаптирующийся к использованию с максимальной эффективностью тех условий, которые
складываются в посеве или создаются человеком с целью повышения
продуктивности. Компонентами этой системы должны быть растения,
формирующие фитоценоз с наивысшей для данных условий
фотосинтетической продуктивностью, сохраняя и даже улучшая свои
свойства (высокие значения КХОз> высокое качество урожая,
устойчивость к болезням, полеганию).
Наилучшим можно считать фотосинтетический аппарат, способный быстро достигать оптимальных размеров (ИЛП = 5—8) и
сохранять их, как и максимальные приросты, в течение возможно
длительного периода времени, синхронизируя свою работу с
генетически контролируемой программой онтогенеза. Однако ИФ в
указанных условиях в результате усиления конкуренции за COj и свет
будет значительно ниже, чем при ИЛП = 2—3, т. е. основными
факторами повышения продуктивности хорошо обеспеченных посевов
являются усиление ростовых процессов и увеличение ИЛП
(экстенсивные признаки), но не увеличение ИФ (интенсивный
признак). Именно поэтому биологическая продуктивность в этих
условиях тесно коррелирует с ФП посева и отрицательно со средней
ИФ. Вместе с тем при низких величи
нах ИЛП биологическая продуктивность, наоборот, теснее коррелирует именно с ИФ.
Изменение соотношений между размерами фотосинтетического
аппарата и ИФ по мере оптимизации факторов плодородия и
увеличения ИЛП направлено на повышение КПД ФАР в условиях
ухудшения режима радиации в посеве и соответственно снижения
средней ИФ. Хорошая согласованность процессов роста с успешной
адаптацией фотосинтетического аппарата посевов к меняющемуся
радиационному режиму приводит к высоким значениям КПД
приходящей ФАР — 5—6 % в среднем за вегетацию.
*
По мнению А. А. Ничипоровича (1982), эти значения при
оптимизации условий выращивания можно повысить до 7—8 и даже
10 % (10—15 т/га зерновых), что почти в 2 раза ниже теоретически
возможного предела КПД ФАР (22 %). Это значит, что в районах, где
приход ФАР за период вегетации составляет 2—3 млрд ккал/га, урожаи
зерна пшеницы могут достигать 10— 15 т/га. О реальности таких
урожаев свидетельствует создание низкорослых сортов пшеницы
интенсивного типа, дающих 10 т/га и выше. Однако на практике КПД
ФАР значительно ниже оптимальных величин и составляет для
биомассы 0,2— 0,3 %.
Для получения реального урожая зерна 6 т/га, что равнозначно
получению биологического урожая 15 т/га при Кхоз = 0,4, необходимо
усвоение посевом 30—33 т/га СО2. Это исключительно сложная
задача, так как в период наиболее интенсивного роста максимальные
суточные приросты достигают 400—600, а иногда 1000 кг/га
биомассы. Такие приросты реальны в посевах с ИЛП = 5—8 и
величинах ЧПФ = 4—8 г/(м2сут) или средней ИФ = 8—16 мг СО2/(дм2ч).
Для получения подобных приростов растения должны усваивать до
2000 кг/га СО2. В толще посева в это время находится всего 5—6 кг
СО2, т. е. в 150—300 раз меньше требуемого количества. Растения
справляются с этой задачей, поскольку за 16часовой летний день в
результате турбулентного перемешивания происходит около 1500—
3000 смен воздуха в толще посева. Тем не менее концентрация СО2 в
посеве (0,025—0,027 %) оказывается ниже, чем над посевом (0,030—
0,032 %), и соответственно лимитирует, как и пониженная
освещенность, фотосинтез.
Преодоление этого лимитирования на физиологическом, агрохимическом и селекционно-генетическом уровнях является важной
задачей повышения урожаев, поскольку оптимальное сочетание
показателей для достижения указанных максимальных приростов
биомассы наблюдается редко. Если, например, при некоторой
обеспеченности водой и питанием в посевах развивается
недостаточная площадь листьев (ИЛП = 2—3), урожай снижается даже
при достаточно хороших показателях ЧПФ и Кхоз. При этом имеет
значение выведение сортов с повышенной устойчивостью ростовой
функции, определяющей рост листьев и плодоэлементов в
неблагоприятных условиях.
158
Фотосинтетический аппарат таких сортов должен быстро и успешно адаптироваться к изменениям основных параметров фотосинтетической деятельности в широком диапазоне их проявлений. В
процессе эволюции появились разнообразные биотипы и генотипы с
фотосинтетическим аппаратом, приспособленным для эффективной
работы в различных условиях. Так, в регионах с высокими
температурами у растений, формирующих плотные посевы с неблагоприятным углекислотным режимом, преимущество могут иметь
растения С4-типа (кукуруза, сорго, сахарный тростник) и другие
теплолюбивые и жаростойкие формы с соответствующими температурными оптимумами фотосинтеза. В умеренных широтах с более
низкими температурами и в условиях, формирующих хорошо
вентилируемые посевы, не менее продуктивными могут быть и Сзрастения (свекла, подсолнечник и др.) с относительно низкими
температурными оптимумами фотосинтеза.
2.10.6.
ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
ПОСЕВОВ
Формирование урожая сельскохозяйственных культур — сложный
процесс, результат которого определяется взаимодействием растений
с условиями внешней среды. Ведущее место среди последних занимает
обеспечение растений ФАР, водой, теплотой, СОз, элементами
минерального питания. Среди них только влагообеспеченность и
уровень почвенного питания поддаются непосредственному
регулированию. Совершенствование технологии возделывания
сельскохозяйственных культур путем оптимизации внешних условий
и соответственно фотосинтетической деятельности посевов для
получения высокого и стабильного урожая является задачей
программирования урожая. По мнению И. С. Шатилова, важнейшую
роль при этом играют правильное применение законов
растениеводства и земледелия, а также комплексный учет
агрометеорологического, агрофизического и агротехнического
факторов.
Первым шагом на пути программирования урожая является
выяснение приспособленности гибрида или сорта к режиму ФАР и
температуре данного региона. Эта задача решается при помощи
сопоставления потребности растений в ФАР и теплоте с их ресурсами
на данной территории. Так, например, суммарный приход ФАР за
период вегетации озимой пшеницы в Московской области составляет
105 кДж/см7.
На втором этапе, по мнению X. Г. Тооминга, необходимо установление потенциально возможного урожая (ПВУ) и реального, или
действительно возможного, урожая (ДВУ). Для характеристики ПВУ
используется биологический или потенциальный урожай, величина
которого определяется потенциальным КПД ФАР и реальным
приходом ФАР при оптимальных значениях других климатических
факторов. ДВУ рассчитывается с учетом потенциального КПД ФАР
при реальных климатических параметрах и высокой агротехнике.
ДВУ, как правило, ниже ПВУ, но разницу между ними можно
существенно сократить путем оптимизации условий выращивания.
Биологический урожай
Убиол
=
где Q — количество ФАР за период вегетации культуры; KQ — заданный КПД ФАР
посевов, %; q — теплотворная способность единицы урожая, кДж/кг.
Для расчета урожая зерна при стандартной влажности используют
соотношение
1 00УбИОЛ
=
(100-’
где Уг — урожайность зерна или другой продукции при стандартной влажности, т/га; w —
стандартная влажность по ГОСТу, %: для зерновых культур — 14, клубней картофеля —
80 и ботвы — 85, многолетних трав на сено — 16; а — сумма частей в соотношении основной
продукции к побочной в общем Урожае биомассы (для озимой пшеницы — 1:1,5 или 2,5
части; овса— 1:1,2; картофеля— 1:0,7; свеклы кормовой— 1:0,4).
Потенциальный урожай зерна и другой основной продукции
УПУ= юМЯ 9 где УПУ— урожайность зерна или другой
продукции при стандартной влажности, т/га; т] — КПД ФАР, %; Кт — коэффициент
хозяйственной эффективности урожая или доли зерна (клубней, корнеплодов) в общей
биомассе (0,4 — для озимой пшеницы); ТС — суммарный за вегетационный период
приход ФАР; q — теплотворная способность.
Основные показатели, которые учитывают при расчете ДВУ по
фитометрическим параметрам, это средняя (£ср) и максимальная (Атах)
площадь листьев, длина вегетационного периода (Ту), ФП,
запланированный выход биомассы и зерна на 1000 ед. ФП (Мфп), а
также средний выход зерна с одного колоса или початка. Поскольку
1000 ед. ФП формируют 2—3 кг зерна, при программировании
урожаев, например, озимой пшеницы в 5 т/га зерна (Уэ) за период ее
вегетации 100 дней (Ту — 100) суммарный ФП должен составить 2,5
млн м2/(га дн):
ФП = 103(У3:МФП);
ФП = 103 тыс. м2-дн/га • (5 т/га : 2 кг) — 2,5 млн м2-дн/га.
Зная ФП и Ту, можно определить средний размер площади листьев:
Lcp = ФП : Ту= 25 тыс. м2/га.
К фазе колошения такой посев должен иметь Атах = = 25 000 м2/га
■ 1,83 = 45 800 м2/га. Однако решающими при этом являются условия
питания и влагообеспеченности. Поэтому следующим, третьим этапом
программирования является обеспечение посевов оптимальным
количеством воды и NPK. Оптимизация питания путем внесения
расчетных доз удобрений при достаточной водообеспеченности в
1,5—1,7 раза повышает поглощение СОг и ФАР во все фазы развития
растений в посеве при существенном увеличении ФП. Удобрения
оказывают прямое и опосредованное влияние на фотосинтез и фотосинтетическую продуктивность посевов.
На посевах, где режим ФАР не входит в число лимитирующих
факторов (изреженные посевы), с ростом дозы минеральных
удобрений отмечается увеличение ИФ в расчете как на единицу
площади листа, так и посева. В нормально развитых посевах режим
ФАР становится лимитирующим фактором, что при интенсивном
накоплении фитомассы приводит к снижению ИФ единицы площади
листа. Однако фотосинтез единицы площади посева за счет роста ИЛП
возрастает. КПД приходящей ФАР при внесении оптимальных доз
минеральных удобрений под кукурузу на черноземах, по данным Б. И.
Гуляева, в 1,57—1,64 раза выше контроля, а КПД поглощенной ФАР
— в 1,35—1,38 раза. Максимальное значение КПД приходящей ФАР,
равное 6,7— 7,5 %, наблюдалось в период цветения метелки —
цветения початка при внесении оптимальной дозы удобрений —
N150P90.
При недостатке влаги внесение удобрений практически не влияет
на значения КПД ФАР. Для нормального фотосинтеза содержание
воды в листьях должно составлять 75—80 % с некоторыми вариациями
для отдельных культур: 81—83 % для сахарной свеклы, 76—78 % для
кукурузы. Ухудшение режима влагообеспеченности может
существенно снизить (вплоть до нуля) ИФ и фотосинтетическую
продуктивность. При этом реакция листьев разных ярусов в посеве,
например, кукурузы заметно различается. Так, нижние листья
фотосинтезируют лучше, чем при орошении, что свидетельствует о
смещении зоны высокой фотосинтетической активности от верхних к
нижним листьям, наиболее устойчивым к неблагоприятным условиям.
Если при орошении растений дневной ход ИФ следует за ходом
радиации, то при дефиците влаги в почве наблюдается полуденная
депрессия фотосинтеза, причем тем сильнее, чем хуже
влагообеспеченность. Особенно вредно сочетание почвенной и
воздушной засух, характеризуемое водным дефицитом листьев. По
данным X. Н. Починка (1965), у кукурузы заметное снижение ИФ
наступает при водном дефиците, равном 7 %, а компенсационный
пункт — при 17 %. Таким образом, при определении расчетных доз
удобрений при программировании урожаев важно учитывать не только
потребность растений и почвенное плодородие, но и зависимость
эффективности удобрений от условий влагообеспеченности.
Существенным средством оптимизации фотосинтетической
деятельности посевов, позволяющим косвенно влиять на фитоклимат
посевов, и в особенности на радиационный режим, является структура
посева, характеризующаяся густотой, шириной междурядий, способом
расположения растений в рядках. Так, в современных технологиях
озимой пшеницы используют узкорядный посев с шириной
междурядий 7,5 см, сплошной — 15 см, а в семеноводческих
хозяйствах, кроме того, ленточный трехрядный с расстоянием между
лентами 45 см, а в ленте — 15 см.
Урожай зерна и количество поглощенной ФАР оказались
максимальными при сплошном посеве, наименьшими — при
ленточном, хотя эффективность использования ФАР в последнем
случае была максимальной: для получения 1 ц зерна пшеницы
ленточный посев расходует 10,2 МДж/м2, сплошной — 11,1 и
узкорядный — 12 МДж/м2 энергии. Это обусловлено тем, что растения
ленточного посева, хотя и фотосинтезируют на 40—60 % интенсивнее,
чем растения узкорядного посева, значительно уступают последнему
по густоте продуктивного стебля. Вместе с тем при узкорядном посеве
только 10—14 % ФАР поступает в нижнюю часть растительного
покрова, в то время как в ленточном посеве — до 35 %. Вследствие
этого диаметр соломины (3,1—3,7 мм) в нижнем междоузлии у
растений узкорядного способа посева на 30—40 % меньше, чем при
ленточном способе, что определяет слабую устойчивость узкорядных
.. посевов к полеганию и соответственно меньший КПД поглощенной
ФАР.
Кроме того, увеличению поглощения солнечной радиации посевами и соответственно урожая способствует также возможно ранний
посев с целью быстрого формирования оптимального ИЛП,
совпадающего по времени с максимальным развитием листового
покрова и наибольшим среднедневным, приходом солнечной
радиации (см. рис. 54).
2.10.7.
ФОТОСИНТЕЗ И УРОЖАЙ г
Прежде всего необходимо обсудить возможность регуляции
фотосинтеза через множество составляющих его звеньев, в частности
мощность пигментного аппарата растений. Несмотря на
многочисленные попытки, не установлено тесной связи между ИФ
листа и содержанием в нем хлорофилла как у сортов культурных
растений (пшеница, ячмень), так и у исходных видов разной
плоидности вплоть до современных гексаплоид- ных форм. Даже у
мутантных форм, дефицитных по хлорофиллу, низкое содержание
последнего мало или совсем не отражалось на ИФ.
Сходная динамика указанных параметров в онтогенезе не доказывает причинной связи между ними, так как значения других
показателей, например РДФ-карбоксилазы, при этом тоже изменяются.
Только Б. Баттери и Р. Базель, работавшие с 48 нормальными и 20
дефицитными по хлорофиллу линиями пшеницы, нашли соответствие
между содержанием хлорофилла и ИФ, но исключительно на
насыщающем свету. При этом обнаружена удовлетворительная
корреляция между ИФ и активностью РДФ- карбоксилазы, а также
урожаем зерна. Авторы считают наиболее предпочтительным отбор
форм по высокой удельной активности карбоксилазы в расчете на
единицу белка фермента, но не на единицу площади или массы листа.
Однако при этом следует учитывать оксигеназную функцию данного
фермента, тесно коррелирующую со скоростью фотодыхания.
Интерес к проблеме снижения фотодыхания заметно возрос после
получения данных, согласно которым Сз-виды, помещенные в
атмосферу с 1—2 % кислорода, растут гораздо быстрее, чем в обычной
атмосфере. И. Зелитч и П. Дэй (1968, 1973) отобрали формы табака с
низким уровнем фотодыхания и с высокой ИФ, но закрепить эти
свойства в популяции при дальнейших циклах самоопыления и отбора
не удалось. Это объясняется положительной корреляцией между ИФ и
интенсивностью фотодыхания. Именно поэтому попытки химического
ингибирования фотодыхания с целью повышения фотосинтеза
потерпели неудачу. Фотодыхание играет также важную роль в азотном
метаболизме зеленых клеток, и подавление фотодыхания неизбежно
привело бы к нарушению обмена аминокислот.
Крайне важна проблема повышения ИФ селекционно-генетическим путем. Повышенной ИФ отличаются скороспелые сорта, но
у них низка продуктивность. По мере перехода от ди- и тетра- к
гексаплоидным пшеницам происходило параллельное увеличение
площади листьев и особенно флагового листа, Ахоз и зерновой
продуктивности (рйс. 57). Последнее было обусловлено главным
образом увеличением площади листьев.
По мнению английского исследователя Р. Остина (1980), ИФ при
этом не только не повысилась, но нередко даже снижалась, т. е.
отрицательно коррелировала с площадью листьев. Таким образом,
высокая урожайность сортов не всегда означает их вы-
сокую ИФ, что доказывает сложный
характер
связи
между
этими
параметрами. Частично это обусловлено тем, что ИФ наследуется как
полигенный признак, определяемый
более чем 500 генами, причем в
скрещиваниях чаще доминирует ее
низкое значение. Однако это не
исключает
возможностей
селекционного
улучшения
фотосинтетических
признаков.
Установлена положительная корреляция между ИФ и массой единицы
площади листа, называемой удельной
поверхностной плотностью (УПП).
Отмечено
также
положительное
влияние эректоидности листьев в
посеве на освещенность нижних
листьев и продуктивность посевов
риса, ячменя, кукурузы, сахарной
свеклы и других культур, особенно на
низких широтах. При этом ИФ посевов
достоверно возрастала.
В. А. Кумаков считает, что повышение ИФ должно быть сопряжено
с
изменением
морфологической
структуры или ритмов роста и
_j ___________ । _________ ।—
развития
растений.
Наряду
с
1890г.
1940г
1980г
повышением УПП это интенсивный
рост корневой системы, особенно в
Рис. 57. Надземная масса, урозасушливых
условиях,
создание
жайность и Ххоз сортов озимой
значительных пластических резервов в пшеницы
разных лет селекции (по
узле кущения и в соломине для
R. Austin, 1980)
последующего
использования при наливе зерна.
Кроме того, необходим умеренный рост всех вегетативных органов
при неполном использовании потенциальных возможностей
фотосинтеза с последующим повышением его активности в ответ на
запрос мощного колоса. При этом не только фотосинтез стимулирует
рост растения, но и рост интенсифицирует фотосинтез, регулируя рост,
развитие и старение листьев, устьичную проводимость и карбоксилирование. Нецелесообразно улучшать фотосинтез, если
активные потребители ассимилятов (аттрагирующие центры) не
соответствуют увеличенному потоку ассимилятов. Исходным условием успешного отбора на высокую ИФ является такая система, в
которой аттрагирующие центры сильно лимитируются источниками
продуктов фотосинтеза. Как считает О. Д. Быков (1982), наиболее
перспективен дифференцированный подход в селекции, при котором в
зависимости от особенностей физиологии культуры и места ее
возделывания предлагается конкретная программа улучшения ее
фотосинтетических признаков. Например, для кормовых культур,
хозяйственно полезными частями которых является вегетативная
масса, предпочтительно увеличение площади листьев, пусть даже
сопряженное с некоторым снижением ИФ. Напротив, для зерновых
культур, особенно в засушливых районах, целесообразно выведение
форм с умеренной листовой поверхностью и высокой ИФ. Для районов
с пониженной инсоляцией северо-западной части России и Дальнего
Востока будут иметь преимущество формы, обладающие
фотосинтетическим аппаратом с повышенной теневыносливостью.
Теневыносливые сорта более устойчивы к повышению густоты
посевов — важному элементу прогрессивной технологии. Отбор на
теневыносливость особо перспективен в селекции овощных культур
(томат, огурец и др.) закрытого грунта в связи с необходимостью
экономии энергии.
2.11.
СВЕТОКУЛЬТУРА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
РАСТЕНИЙ
2.11.1.
ИСТОЧНИКИ ОБЛУЧЕНИЯ
Светокультура растений изучает теоретические основы и методы
выращивания растений с помощью искусственного облучения. В этом
случае растения не создают новых запасов энергии на земле, как в
природе, а лишь трансформируют лучистую энергию ламп в
химическую энергию растений.
Искусственное облучение широко применяется в тепличных
хозяйствах, особенно в северных регионах страны, для выращивания
овощей, а также для ускорения выведения новых сортов,
теоретических исследований по биологическим наукам и других
целей. Источниками излучения в светокультуре растений служат
электрические лампы различных типов. Они должны удовлетворять
следующим требованиям.
1. Спектральный состав излучения ламп должен в наибольшей
степени способствовать осуществлению основных физиологических
процессов. Для этого необходимо, чтобы в спектре были все участки
видимого излучения с преобладанием красных, синих и фиолетовых
лучей, а также небольшая доля длинного ультрафиолетового (УФ) и
короткого инфракрасного (ИК) излучения. Излучение с длиной волны
менее 290 нм не должно попадать на растения.
2. Лампы не должны излучать большое количество теплоты, так как
это нарушает нормальный обмен веществ в растениях, приводит к
преждевременному цветению, плодоношению и, как правило,
снижению урожая.
3. Лампы должны быть экономичными, т. е. создавать достаточную
фотосинтетическую
облученность при возможно меньшем
потреблении электроэнергии и выдерживать продолжительную
эксплуатацию.
В настоящее время наиболее широкое применение нашли
газоразрядные лампы и в меньшей степени — лампы накаливания.
Источник лучистой энергии в газоразрядных лампах — излучение
газов или паров металлов, возникающее при газовом разряде. В лампах
накаливания, отличающихся невысокой стоимостью, простотой в
обращении и высокой мощностью лучистого потока, источником
излучения служит раскаленная вольфрамовая нить.
Ксеноновые лампы (ДКСТ-5000,
ДКСТВ-6000,
ДКСТ-20000) из производимых промышленностью газоразрядных
источников искусственного света по спектральной характеристике в
области ФАР наиболее близки к солнечному спектру. Растения разных
видов, выращенные с применением этих типов ксеноновых ламп,
имели при коротком вегетационном периоде продуктивность
значительно выше, чем в поле. Однако низкий КПД этих источников
(12—13 %) и сложность эксплуатации препятствуют их широкому
применению в светокультуре растений.
При этом установлены следующие соотношения между единицами
измерения световых характеристик (табл. 11). Например, для лампы
ДКСТ-5000 отношение общей освещенности в люксах (лк) к
фотосинтетически активной радиации в мкмоль/(м2-с) или ФАР(к)
равно 74,2, отношение ФАР(к) к суммарной облученности в Вт/м2(СР)
— 3,16 и отношение ФАР(к) к ФАР, выраженной в Вт/м2, или ФАР(э)
— 4,46. Таким образом, измерив освещенность в люксах, можно легко
рассчитать облученность в Вт/м2 (ФАР или общую) или поток квантов
в области ФАР в мкмоль/(м2-с).
11. Световые характеристики основных типов ламп (Н. Н. Протасова, Дж. М.
Уеллс, М. В. Добровольский, Л. Н Цоглин, 1990)
Тип лампы
ДКСТ-5000
ДРЛФ-400
ДНаТ-400
ДМ4-6000
ДРИ-2000-6
ДРОТ-2000
ФАР(к)
ФАР(к) СР
ФАР(к)
ФАР(э)
КПД ФАР, %
74,2
76,7
116
118
84,1
108
3,16
3,03
2,90
2,45
2,90
2,69
4,46
4,54
3,72
3,00
4,11
3,37
12-13
12
28-30
28—30
29-30
25
ЛК
ДРЛФ-400—дуговые ртутно-люминесцентные фитолампы мощностью 400 Вт. Из-за отсутствия в спектре этих ламп излучения в
красной (640—680 нм) области спектра они непригодны для выращивания растений при полном искусственном освещении: наблюдается пустозерница у зерновых, плохо растут плодоносящие томат,
перец и другие овощные. Досвечивание лампами ДИаТ-400 может
существенно «улучшить» спектр. Вместе с тем лампы ДРЛФ-400 также
используют для досвечивания рассады огурца и томатов в теплицах как
источник сине-фиолетовой радиации, которой недостаточно в
солнечном спектре в зимнее время.
ДНаТ-400— натриевые лампы высокого давления мощностью 400
Вт. Лампы имеют высокий КПД ФАР, но неполноценный по спектру.
Для его «исправления» необходимо добавить излучение в синей
области и в красном спектральном диапазоне 660— 680 нм. Эти лампы
эффективны при досвечивании рассады, но менее приемлемы в
генеративной фазе при полном искусственном освещении.
Металлогалогенные лампы (МГЛ). Выпускаются с добавками
йодидов металлов, более перспективны в сравнении с
вышеперечисленными лампами, так как обладают высоким КПД (25—
30 %) и относительно полным спектром.
ДМ4-6000— это трехфазная МГЛ мощностью 6 кВт с наполнением
йодидом натрия и скандия и с достаточно длительным сроком службы.
Основной недостаток лампы — неполноценность спектра,
обусловленная снижением доли излучения в синей и красной областях.
ДРИ-2000-6 — МГЛ мощностью 2 кВт с наполнением йодидом
натрия и скандия. По КПД и спектральным характеристикам эта лампа
является лучшей среди МГЛ, применяемых для выращивания
растений.
ДРФ-1000— МГЛ-светильник мощностью 1 кВт с йодидом натрия
и скандия в качестве наполнителей, широко применяют для
выращивания рассады огурца и томата. Для «улучшения»
спектрального состава света необходимо добавить излучение в
красной области — 650—680 нм.
Хороший результат по «исправлению» спектрального состава света
при выращивании растений дает комбинирование этих источников с
люминесцентными лампами красного света ЛК-65 или сочетание
последних с лампами накаливания с отношением мощностей 3—4:1.
2.11.2.
ВЛИЯНИЕ ИСКУССТВЕННОГО ОБЛУЧЕНИЯ
НА АНАТОМО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ РАСТЕНИЙ
Анатомическое строение листьев и стеблей служит важным
биологическим показателем условий облучения, выращивания и
физиологического состояния растений. Так, палисадная и губчатая
паренхима наиболее развита у листьев под люминесцентными и
ксеноновыми лампами, в результате чего удельная поверхностная
плотность оказывается больше, чем под другими типами ламп. По
анатомическим характеристикам листья под люминесцентными
лампами можно отнести к группе световых, а под лампами
накаливания, неоновыми, ртутными или не облучавшиеся
дополнительно зимой в теплице — к группе теневых.
При длинноволновом излучении под лампами накаливания и
ксеноновыми стебли обычно вытягиваются; при коротковолновом под
люминесцентными лампами и лампами ДРЛ, наоборот, наблюдается
сильное сокращение междоузлий. В последнем случае лучше
дифференцируются проводящие пучки, хорошо развиваются
механические ткани и образуется наибольшее количество
камбиальных клеток.
Хорошо развитый пигментный аппарат листьев под этими лампами
приводит к длительному сохранению фотосинтетической функции и
соответственно к существенному увеличению урожая у овощных и
других культур. При облучении растений неоновыми, ртутными и
ртутно-вольфрамовыми лампами ИФ значительно ниже, а дыхание —
выше, что снижает продуктивность растений в сравнении с
люминесцентными лампами, ДРЛ и ДРИ.
Помимо фотосинтеза и дыхания важное значение в продукционном
процессе имеют процессы фотоморфогенеза, т. е. изменение форм,
размеров растений, а также динамика прохождения отдельных этапов
органогенеза под влиянием излучения разного качества и разной
интенсивности. Например, ускорение развития растений томата при
выращивании их под ксеноновыми лампами по сравнению с
люминесцентными происходит за счет более быстрого прохождения П
этапа — образования кисти; условия выращивания растений в конце II
— начале, IV этапа определяют число цветков в кисти.
Таким образом, анатомическая структура листьев, накопление
пигментов, усвоение лучистой энергии, фотосинтез и фотоморфогенез
— лабильные физиологические процессы. Основным фактором,
вызывающим изменчивость указанных процессов при прочих равных
условиях, является спектральный состав излучения ламп.
Контрольные вопросы и задания
1. Что общего в Составе и строении наружной и внутренней мембран хлоропласта?
Укажите различия между этими мембранами и их связь с выполняемыми функциями. 2.
Назовите возможные причины того, что у мутантных растений гороха с пониженным
содержанием каротиноидов фотосинтез протекает менее
ес
интенсивно. 3. Какие соединения, образующиеся в световых реакциях фотосинтеза,
используются для восстановления СОг? 4. Чем объяснить, что квантовый выход
фотосинтеза можно увеличить, если вместо непрерывного освещения давать свет
короткими вспышками с более длительными темновыми промежутками?. 5. Если зеленый
лист освещать в отсутствие СОг, то он будет флуоресцировать. Введение СОг немедленно
вызывает прекращение флуоресценции. Как это объяснить? 6. Опишите реакции, в
которых участвуют ферменты РДФ-карбокси- лаза и ФЕП-карбоксилаза. Укажите
локализацию этих ферментов в листе и охарактеризуйте их функциональные взаимосвязи.
7. Влияет ли свет на интенсивность дыхания? Поясните свой ответ. 8. Чем фотосинтез у
суккулентов отличается от фотосинтеза у мезофитов Сз- и С4-типа? 9. Как изменились
размеры светособирающего комплекса и его число на единицу площади мембран хлоропластов в процессе селекционного улучшения сельскохозяйственных культур? 10. Почему
сорта с относительно тонкими листьями в посевах более предпочтительны, чем сорта с
большей удельной поверхностной плотностью? 11. Чем преимущественно ограничена
урожайность современных сортов сельскохозяйственных культур: недостаточной
активностью донора или акцептора ассимилятов? Ответ обоснуйте. 12. Назовите
фотосинтетический потенциал обеспеченных посевов основных культур в центральных
регионах России. 13. Почему карликовые и полукарликовые сорта существенно снижают
урожайность в засушливые годы? 14. Приведите известные вам примеры использования на
практике теневыносливых сортов. В чем их преимущество? 15. От каких параметров
зависит чистая продуктивность фотосинтеза? 16. В чем основная причина снижения
фотосинтеза при стационарном и прогрессирующем дефиците влаги? 17. Назовите
агротехнические приемы, способствующие увеличению КПД ФАР посевов. 18. В чем
состоят основные причины снижения интенсивности фотосинтеза по мере старения
растений?
Глава 3
ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ
3.1.
ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ДЫХАНИЯ
Дыхание присуще всем живым организмам. Оно представляет
собой окислительный распад органических веществ, синтезированных в процессе фотосинтеза, протекающий с потреблением
кислорода и выделением диоксида углерода. А. С. Фаминцын
рассматривал фотосинтез и дыхание как две последовательные фазы
питания растений: фотосинтез готовит углеводы, дыхание
перерабатывает их в структурную биомассу растения, образуя в
процессе ступенчатого окисления реакционноспособные вещества и
освобождая энергию, необходимую для их превращения и процессов
жизнедеятельности в целом. Суммарное уравнение дыхания имеет
вид:
СбНиОб + 6O2 -> 6СО2 + 6Н2О + 2875 кДж.
тл
/
Из этого уравнения становится ясно, почему именно скорость
газообмена исполЬзуютсдля оценки интенсивности дыханиях Оно
было предложено в 1912 г. В. И. Палладиным, который считал, что
дыхание состоит из двух фаз — анаэробной и аэробной. На
анаэробном этапе дыхания, идущем в отсутствие кислорода, глюкоза
окисляется за счет отнятия водорода (дегидрирования), который, по
мнению ученого, передается на дыхательный фермент. Последний
при этом восстанавливается. На аэробном этапе происходит
регенерация дыхательного фермента в окислительную форму. В. И.
Палладии впервые показал, что окисление сахара идет не за счет
непосредственного окисления его кислородом воздуха, поскольку
кислород не встречается с углеродом дыхательного субстрата, а
связано с его дегидрированием.
Этот вывод опроверг теорию А. Л. Лавуазье, предложенную в
конце XVIII в., о тождестве дыхания и горения. К этому заключению
он пришел на основании того, что при дыхании, как и при горении,
поглощается О2 и выделяются COj и теплота. Поэтому Лавуазье
ошибочно предположил, что дыхание — это медленно текущее
горение питательных веществ в живом организме, сопровождаемое
присоединением кислорода к окисляемому субстрату. Кроме того, он
не мог знать, что в отличие от сжигания топлива в топке в клетке
энергия окисления, как правило, не выделяется в виде теплоты, а
связывается в молекуле АТФ. Последнее было открыто только в 1941
г. Ф. Липманом и Г. Калькаром.
z.
Существенный вклад в изменив сути окислительных процессов и
химизма процесса дыхания внесли как отечественные (И. П. Бородин,
А Н. Бах, С. П. Костычев, В. И. Палладии), так и зарубежные (А. Л.
Лавуазье, Г. Виланд, Г. Кребс) исследователи.
Число работ, посвященных изучению дыхания, значительно
меньше, чем по фотосинтезу. Однако в последнее десятилетие
внимание, уделяемое исследованию дыхания, заметно усилилось. Это
обусловлено тем, что жизнь любого организма неразрывно связана с
непрерывным использованием свободной энергии, генерируемой при
дыхании. Неудивительно, что изучению роли дыхания в жизни
растения в последнее время отводят центральное место в физиологии
растений. При этом дыхание рассматривается не только как
специальный процесс для генерации АТФ и восстановителя, а как
одна из сторон метаболизма, при котором образуются промежуточные
соединения для синтеза всех компонентов структурной биомассы
растения.
3.2.
МЕТОДЫ УЧЕТА ДЫХАНИЯ
Дыхание растений измеряют двумя способами: на интактных
растениях и органах в токе воздуха или на отделенных органах в
замкнутой камере. Первый способ лежит в основе ряда технических
решений, использующих главным образом принципы инфракрасного
(ИК) газового анализа и калориметрии, второй — манометрии
(измерение давления) и волюмометрии (измерение объема).
Рассмотрим приборы, предназначенные для измерения газообмена
у отделенных от растения органов в замкнутой камере. Использование
замкнутой камеры позволяет судить об интенсивности обмена О2 и
СО2 по изменению объема газовой фазы, что упрощает аппаратуру,
повышает ее чувствительность и точность. К недостаткам таких
приборов относятся необходимость расчленения растений,
помещение их в атмосферу замкнутой камеры, инерционность
измерительных
систем
и
относительно
небольшая
производительность.
В приборах, работающих на принципах манометрии, как, например, в аппарате Варбурга, количество поглощенного растением О2
или выделенного СО2 может быть определено лишь, когда известен
объем газовой и жидкой фаз в приемнике для объекта.
Возможность одновременно изучать обмен двух газов, их динамику и высокая чувствительность приборов выделяют этот метод
особо даже в сравнении с ИК-газометрией и полярографическим
анализом. Однако использование малых навесок и сложность
проведения измерений ограничивают его массовое применение при
изучении экологии дыхания.
В волюмометрии газообмен измеряется при постоянном давлении,
вследствие чего отпадает необходимость учитывать объем жидкой и
газовой фаз. Расчетная формула имеет вид:
ДК= P(Ci - С2),
где ДК—изменение объема газа в сосуде; р — цена деления шкалы; С| и Сг— отсчеты
соответственно в начале и конце экспозиции.
Для точного измерения дыхания на приборах, работающих на
принципе волюмометрии или манометрии, необходима стабилизация
температуры, что осуществляют путем термостатирования приемника
с образцом.
3.3. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ МИТОХОНДРИЙ
! Митохондрия окружена двойной мембраной — наружной и
внутренней. Последняя образует выросты — кристы, увеличивающие
внутреннюю поверхность митохондрий. Внутреннее пространство
митохондрии заполнено матриксом, состоящим наполовину из белка.
Именно здесь локализованы ферменты цикла Кребса, ферменты,
катализирующие окисление жирных кислот, а также РНК и ДНК для
биосинтеза белка.
Митохондриальные мембраны представляют собой ряд ферментных комплексов, связанных со структурными белками и
липидами. В белках внешней мембраны 50 % составляет структурный
белок и 50 % — ферментативные белки. В белках внутренней
мембраны 60 % приходится на структурный белок, 20 % — на белок
ферментов дегидрогеназного комплекса и 20 % — на белки
компонентов цепи переноса электронов (ЭТЦ).
Наружная мембрана митохондрий проницаема для малых молекул
и ионов. Это позволяет многим органическим молекулам, в частности
пирувату — продукту гликолиза, протекающего в гиалоплазме,
проходить через эту мембрану и окисляться до СОз и НзО в серии
ферментативных реакций цикла Кребса. Таким образом
устанавливается связь между отдельными этапами окисления
глюкозы, локализованными в разных компартментах клетки. Во
внутренней мембране митохондрий локализована ЭТЦ. Энергия
трансмембранного потенциала, возникающая между двумя сторонами
внутренней мембраны в результате переноса электронов по ЭТЦ от
НАДН на кислород, используется для образования АТФ из АДФ и Рн.
Образовавшаяся в процессе фосфорилирования молекула АТФ может
выходить через внутреннюю мембрану в матрикс. Таким образом
реализуется LOCHOB- ная функция митохондрий — обеспечение
энергетических потребностей клетки.] Поэтому митохондрии часто
называют «силовыми станциями» клетки.
3.4.
3.4.1.
ОСНОВНЫЕ ПУТИ ОКИСЛЕНИЯ
ДЫХАТЕЛЬНОГО СУБСТРАТА
ТИПЫ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ
В процессе дыхания участвует сложная цепь окислительновосстановительных превращений углеводов и жиров. Под окислением какого-либо соединения понимают процесс потери цм
электрона (протона), под восстановлением — их присоединения,
протекающие по одному из следующих путей.
Непосредственное присоединение к веществу кислорода, например, в процессе образования воды:
2Н2 + О2 -» 2Н2О.
отдачи электрона может происходить без
Нередко процесс
участия кислорода:
окисление 2+
►Си •
восстановление
Си+ — ё
Одновалентная медь служит донором электрона и окисляется до
Си2+. В обратной реакции Си2+ — акцептор электронов восстанавливается до Си*.
Перенос электронов во многих окислительно-восстановительных
реакциях сопровождается одновременным переносом протонов, как
при окислении янтарной кислоты в фумаровую:
соон
I
СН2
+
2Н 2е
соон
1 сн + ФАДН2
_ сукцинатдегидрогеназа „
*
1!
сн
соон
сн2
соон
янтарная кислота
фумаровая кислота
Для непрерывного протекания этой реакции необходимо наличие
в системе акцептора водорода.
Способность вещества к окислению сильно возрастает, если оно
предварительно гидратируется:
О
II
НО
I
II +
R - С - Н + Н2О —> R — С — ОН -> R — С -ОН + 2Н + 2ё
ОН
В живых системах окисление одного соединения всегда сопряжено
с восстановлением другого. Любая окислительно-восстановительная
система может функционировать как окислитель или как
восстановитель в зависимости от соотношения величины ее собственного потенциала и потенциала системы, с которой она взаимодействует. Максимальную величину потенциала в клетке имеет
кислород, благодаря чему он служит универсальным окислителем.
3.4.2.
ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ
Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные
реакции, называют оксидоредуктазами. Класс оксидоредуктаз
представлен дегидрогеназами и оксидазами.
Дегидрогеназы. Основная их функция — активирование водорода
в молекуле дыхательного субстрата и отделение его от окисляемого
вещества, или дегидрирование. Реакция дегидрирования лежит в
основе ряда процессов биологического окисления. Представление об
активации водорода как важнейшей основе дыхания было впервые
дано В. И. Палладиным в 1908 г. и в дальнейшем подтверждено
работами Г. Виланда.
В общем виде схема действия дегидрогеназ заключается в том, что
активированный или лабильный водород, дыхательного материала
AHj переносится на акцептор В, имеющий более высокую степень
сродства к водороду:
АН2 + дегидрогеназа + В -»А + ВН2 + дегидрогеназа.
Вопрос о том, какое соединение является первым акцептором
водорода метаболита, важен с точки зрения классификации дегидрогеназ. По этому признаку дегидрогеназы делят на аэробные и
анаэробные. Аэробные дегидрогеназы передают активированный
водород непосредственно на кислород, а анаэробные — лишь на
промежуточный переносчик.
Аэробные дегидрогеназы представляют собой двухкомпонентные
ферменты, куда наряду с белком в качестве простетической группы
входит рибофлавин — производное витамина В2. Наиболее
распространенными коферментами этой группы являются ФАД
(флавинадениндинуклеотид) и ФМН (флавинмононуклеотид), что
дало основание называть аэробные дегидрогеназы флавиновыми.
Сюда входят лактатдегидрогеназа, сукцинатдегидрогеназа, аглицерофосфатдегидрогеназа и др. Донорами электронов для
аэробных дегидрогеназ служат анаэробные дегидрогеназы, а
акцепторами — цитохромы, кислород.
Анаэробные дегидрогеназы — это двухкомпонентные ферменты,
коферментами которых являются НАД+ или НАДФ+. Оба кофермента
имеют сходную структуру, за исключением того, что в НАДФ+ на
один остаток фосфорной кислоты больше. Оба кофермента дают
после гидролиза рибозу, аденин, никотинамид и фос
форную кислоту. Поскольку в состав кофермента входят пиридиновые основания, анаэробные дегидрогеназы называют также пиридиновыми. К ним относят ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные превращения в процессах спиртового и
молочнокислого брожения, например алкогольдегидрогеназу, а также
ферменты дегидрирования соединений, образующихся в процессе
аэробного
окисления
пировиноградной
кислоты
(ПВК)
(дегидрогеназа цис-аконитовой, изолимонной, янтарной, яблочной
кислот и др.). В основе действия пиридиновых дегидрогеназ лежит
способность к обратимому дегидрированию и гидрированию пиридинового ядра, входящего в состав коферментов этих дегидрогеназ в
виде амида никотиновой кислоты.
Оксидазы. Активируют молекулярный кислород, т. е. катализируют заключительные этапы окисления. Водород окисляемого
субстрата соединяется с кислородом воздуха с образованием воды
или перекиси водорода. В зависимости от природы металла оксидазы
могут быть разделены на две группы: железопротеиды (Fe-протеиды)
и медьпротеиды (Си-протеиды). Об активности оксидаз можно
судить, с одной стороны, по количеству потребленного кислорода, с
другой — по количеству окисленного субстрата. К группе Feпротеидов относятся гемин, цитохромокси- даза, каталаза,
пероксидаза, а к группе Cu-протеидов — полифе- нолоксидаза и
аскорбатоксидаза.
Среди оксидаз важную роль играют железосодержащие ферменты
и переносчики, относящиеся к цитохромной системе, в частности
цитохромы и цитохромоксидаза. Все компоненты цитохромной
системы содержат железопорфириновую простетичес- кую группу:
сн
соон
соон
I
Обратимое окисление и восстановление цитохромов путем отдачи
и присоединения электрона связаны с изменением валентности
железа фермента в коферменте. Благодаря этому цитохромы являются
переносчиками электронов, а цитохромоксидаза играет роль
последнего звена, способствующего их переносу на кислород воздуха.
Каталаза ускоряет реакцию разложения перекиси водорода на
воду и кислород по уравнению
2Н2О2 -пероксидаза »
+
Пероксидаза с помощью перекиси водорода может окислять
различные соединения, например полифенолы, с образованием
хинона и воды.
_
Полифенолоксидаза катализирует перенос е и Н+ от ряда фенолов
(гидрохинон, пирокатехин и др.) на молекулярный кислород:
ОН + 1/2О2
полифенолоксидаза
О+Н2О
Аскорбатоксидаза окисляет аскорбиновую кислоту (АК) в дегидроаскорбиновую (ДАК):
аскорбатоксидаза
I НО-С-Н
но-с-н I
СН2ОН
I
СН2ОН
аскорбиновая
кислота
дегидроаскорбиновая
кислота
3.5.
3.5.1.
ХИМИЗМ ДЫХАНИЯ
ГЛИКОЛИЗ, ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ И ЭНЕРГЕТИКА
Гликолиз, или цикл Эмбдена—Мейерхофа—Парнаса, представляет собой доминирующий путь окисления углеводов в растении.
Гликолитический цикл или нечто подобное представлено во всех
формах жизни, предшествуя всем типам дыхания, что
свидетельствует о его раннем происхождении в эволюции жизни.
Слово «гликолиз» означает расщепление сахара; при этом глюкоза и
фруктоза являются главными моносахаридами, трансформируемыми
в ходе гликолиза. Поэтому их можно рассматривать как самые первые
продукты, вступающие в этот процесс. Пул гексоз (гексозофосфатов),
куда входят глюкоза и фруктоза, находится в цитозоле и представлен
глюкозо-1-фосфатом, глюкозо-6-фосфатом и фруктозо-6-фосфатом.
Гексозы поступают в зону локализации «своего» фермента путем
диффузии в жидкой фазе цитозоля. Глюкоза и фруктоза в
растительных клетках могут образовываться путем расщепления
сахарозы на глюкозу и фруктозу ферментом инвертазой в ходе
необратимой реакции. Аналогичные продукты образуются также при
обратимом ферментативном расщеплении сахарозы ферментом
сахарозосинтетазой на УДФ-глюкозу, важный предшественник
полисахаридов клеточной стенки, и фруктозу:
Сахароза + УДФ <-» УДФ-глюкоза + фруктоза.
Это весьма важная с энергетической точки зрения реакция, так как
УДФ-глюкозу можно затем превратить в глюкозо-1-фосфат без
потребления
энергии
АТФ,
обычно
используемой
при
фосфорилировании свободной глюкозы:
УДФ-глюкоза + пирофосфат глюкозо-1-фосфат + УТФ.
Хотя пирофосфат, образуемый в результате отщепления двух
фосфатных групп от АТФ, потребляется в этой реакции, УТФ
образуется из УДФ. Глюкозо-1-фосфат и глюкозо-6-фосфат взаимопревращаемы в реакции, идущей без затрат энергии АТФ и
катализируемой фосфоглюкомутазой.
Таким образом, исключается первая энергопотребляющая реакция
гликолиза. В отсутствие сахарозосинтетазы первая молекула АТФ,
используемая в цикле дыхания, потребляется именно на
фосфорилирование глюкозы (рис. 58):
неон
неон
I носн о
I неон
I нс ----
неон
АТФ
АДФ
СН2ОН
глюкоза
неон
I носн
I неон
НС
СН2О - Р глюкозЪ6-фосфат
Диоксиацетонфосфат
Глицеральдегид-З-фосфат
Рис. 58. Гликолиз и брожение
I
Для этой реакции необходимы катион магния и фермент гексокиназа, функционирующий в нескольких формах. Одна' из форм
фермента может быть связана с любой органеллой и фосфорилирует
кроме глюкозы также фруктозу и другие гексозы. Другая форма
фермента прикреплена к наружной мембране митохондрий и
фосфорилирует главным образом глюкозу в ходе необратимой
реакции. Глюкозо-6-фосфат с помощью фермента глюкозо-6фосфатизомеразы обратимо превращается во фрукто- зо-6-фосфат,
который затем трансформируется в ходе реакции фосфорилирования
во фруктозо-1,6-дифосфат. АТФ как фосфорилирующему агенту этой
реакции также требуется катион магния.
Далее молекула фрукТозо- 1,6-дифосфата под влиянием фермента
альдолазы обратимо расщепляется на две трехуглеродные молекулы
(дихотомический
путь):
фосфодиоксиацетон
и
З-фоофоглицериновый альдегид (ФГА). Эти два сахара, являющиеся также
промежуточными продуктами фотосинтеза, свободно могут
трансформироваться друг в друга в реакции изомеризации. В
результате превращения фосфодиоксиацетона в ФГА образуются две
молекулы ФГА Эта реакция рассматривается как завершающая
первый этап гликолиза, в ходе которого использованы две молекулы
АТФ для расщепления молекулы глюкозы на две триозы.
В ходе второго этапа гликолиза из АДФ образуется АТФ, т. е.
клетка пополняет свой фонд энергии. Первой стадией на этом пути
является превращение 3-ФГА в 1,3-фосфоглицериновую кислоту
(ФГК) с участием НАД-зависимой дегидрогеназы. Эта реакция
протекает с потреблением НАД (НАД+), Рн и завершается
образованием НАДН (НАДН+Н+). По существу, это первая реакция
гликолиза, протекающая не с затратой, а с накоплением энергии в
результате восстановления нуклеотида НАД. Затем фермент
фосфоглицераткиназа катализирует превращение 1,3- ФГК в 3-ФГК.
В ходе этой реакции происходит фосфорилирование АДФ с
образованием АТФ в процессе субстратного фосфорилирования. Эта
реакция высокоэкзоэргоническая и, следовательно, необратимая.
Термин «субстратное фосфорилирование» говорит о том, что
непосредственно субстраты реакции участвуют в фосфорилировании
АДФ (в данном случае один остаток фосфорной кислоты от 1,3фосфоглицерата переносится на АДФ)- В то же время окислительное
фосфорилирование,
протекающее
в
митохондриях,
не
предусматривает прямого участия субстратов дыхания.
В дальнейшем фермент фосфоглицератмутаза обратимо катализирует превращение 3-ФГК, которая затем превращается в ФЭП
под действием фермента энолазы в Mg-зависимой реакции, а ФЭП
трансформируется в энолпируват. Последняя реакция включает
субстратное фосфорилирование АДФ, в результате
I
чего образуется АТФ. Затем энолпируват превращается в пируват,
чем и завершается второй этап гликолиза. В целом на преобразование
одной молекулы глюкозы в две молекулы ПВК необходимо затратить
две молекулы АТФ. При этом образуются четыре молекулы АТФ и
две молекулы НАДН. Одна молекула НДДН, окисляясь, образует три
молекулы АТФ, а всего — шесть молекул АТФ. Следовательно,
чистый выход энергии в ходе гликолиза составляет восемь молекул
АТФ.
Гликолиз — это процесс генерации энергии в клетке, происходящий без поглощения Оз и выделения COj. Поэтому его скорость
трудно измерить. Основной функцией гликолиза наряду с
образованием энергии служит активирование гексоз, достаточно
инертных, малореакционноспособных. В результате синтезируются
активные молекулы кислоты, подвергающиеся дальнейшим
преобразованиям. Кроме того, при гликолизе образуются интермедиаты, необходимые для синтетических процессов в клетке
(например, из ФЭП образуются фенольные соединения и лигнин).
Важную роль гликолиз играет также при расщеплении крахмала
хлоропластов до экспортных продуктов — триоз. Вместе с тем
отдельные
реакции
гликолиза
выступают
в
линейной
последовательности. Это значит, что они менее саморегулируемы изза отсутствия обратной связи по сравнению, например, с циклом
Кребса. Тем не менёе гликолиз находится под постоянным контролем
регуляторной системы клетки. Если, например, энергетические
потребности клетки возрастают, то концентрация Рн в результате
гидролиза АТФ увеличивается. Это активирует ферйенты гликолиза
и
одновременно
ингибирует
активность
ферментов
пентозофосфатного цикла. При дефиците Рн, наоборот, подавляется
гликолиз и активируется пентозофосфатный цикл. Подобная
регуляция скорости гликолиза возможна также на других участках
цепи реакций.
3.5.2.
ЦИКЛ ДИ- И ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦИКЛ КРЕБСА)
Субстратом цикла трикарбоновых кислот (ТКК) служит ПВК,
окисляющаяся в аэробных условиях в строме митохондрий до СОз и
НгО (рис. 59). По существу, цикл представляет собой окислительное
декарбоксилирование ПВК в ходе ряда реакций, названных в
совокупности циклом Кребса (по имени английского биохимика Г. А.
Кребса, предложившего данную схему распада ПВК в 1937 г.). ПВК
перед вступлением в цикл подвергается окислительному
декарбоксилированию
с
участием
дегидрогеназы
ПВК
митохондриального происхождения. ПВК импортируется или из
цитозоля как продукт гликолиза, или образуется из яблочной
кислоты. Коферменты А и НАД также вступают в эту
соон
с=о
_______ СН3 ______________
| Пировиноградная кислота]
Кофермент А
(CoA-SH)
д
НАД
НАДН+Н
О
Н2О
CH3-C~S-CoA
| Ацетил кофермент А |
СООН
соон
сн.
сн
НО—С—СООН
о=с-соон
СН.
с-соон
сн
сн.
н2о
НАДН+Н
соон
Щавелевоуксусная
____ кислота _____
НАД
соон
Лимонная
кислота
соон
цис- аконитовая
кислота
‘СООН
СН-
соон
H-C-COOH
н-с-он
н—с-он
СН__________ соон ____________
| Изолимонная кислота)
СООН _____________
| Яблочная'кислота
н2о
_ ______
f £1НАДН+Н
соон
соон4**
сн
сн
сн
н-с-соон
СООН __________
с=о
| Фумаровая кислота |
соон
ФАДН-.
| Щавелевоянтарная кислота |
ФАД
СООН
СО.
СООН
СН,
СН;
сн.
снс=о
(CoA-SH)
_________соон
[Янтарная кислота]
соон
соон
НАД
СН-
Суммарный
результат
окисления
пирувата в
цикле
Кребса
| а- кетоглутаровая кислота
■НАДН+Н
сн.
АДФ+РП
со.
О—С — S—
СоА
Сукцинйлкофермент.А
СО-
ПируватН.О
Восстановленные
коферменты **
(НАДН иФАДНД
Рис. 59. Цикл Кребса
реакцию, в результате чего образуются ацетил-КоА с высокоэнергетической тиоэфирной связью, НАДН и СС>2.
Для успешного протекания данной реакции необходимы также
другие кофакторы, включая ФАД, липоевую кислоту, тиамин
пирофосфат и двухвалентные катионы. В дальнейшем фермент
цитратсинтаза катализирует реакцию конденсаций ацетил- КоА, ЩУК
и воды с образованием лимонной кислоты и комплекса KoA-SH. Эта
реакция ответственна за вхождение углерода в цикл Кребса и,
следовательно, контролирует его прохождение по циклу.
В следующей реакции фермент аконитаза превращает лимонную
кислоту в цис-аконитовую, которая затем трансформируется в
изолимонную кислоту. Последняя под воздействием НАД-за- висимой
изоцитратдегидрогеназы окисляется в нестойкое соединение —
щавелевую кислоту, которая сразу же декарбоксилируется с
образованием а-кетоглутаровой кислоты. При этом образуется НАДН,
а также первая в цикле и вторая после начала метаболизации ПВК
молекула СО2.
В ходе последующего окислительного декарбоксилирования акетоглутаровой кислоты с помощью а-кетоглутаратдегидроге- назного
комплекса образуются НАДН, сукцинил-КоА и выделяется СО2.
Сукцинил-КоА в присутствии Рн и АДФ, в свою очередь,
превращается в сукцинат (янтарная кислота), что сопровождается
образованием АТФ в процессе субстратного фосфорилирования.
Сукцинатдегидрогеназа, коферментом которой служит ФАД,
катализирует обратимое превращение янтарной кислоты в фумаровую
с образованием ФАДН2 во время реакции.
Фумаровая кислота, реагируя с водой в присутствии фумаратгидратазы, образует яблочную кислоту (малат), которая затем с
помощью НАД-зависимой малатдегидрогеназы окисляется в ЩУК.
При этом образуется НАДН, а ЩУК может принимать участие в
дальнейших реакциях цикла Кребса. Центральную роль в регуляции
цикла Кребса играет отношение [НАДН]/[НАД+]. Расходование
ацетил-КоА на метаболические потребности клетки, например на
синтез жирных кислот, также может контролировать вход углерода в
цикл Кребса.
В ходе реакции цикла потребляются одна молекула ПВК, четыре
НАД, одна АДФ, одна ФАД, две молекулы воды и синтезируются
четыре молекулы НАДН, одна АТФ, одна ФАДН2, две молекулы воды
и выделяются три молекулы СО2. При этом от компонентов цикла
отщепляется пять пар атомов водорода (электронов). Поскольку на
каждую расщепляющуюся молекулу глюкозы приходятся два оборота
цикла Кребса (если промежуточные продукты не извлекаются из
гликолиза и цикла ТКК на другие метаболические нужды),
соответственно указанный энергетический выход также удваивается.
Электроны НАДН и ФАДН2, образованные в цикле Кребса, . могут
передаваться по ЭТЦ, образуя АТФ из АДФ и Рн при окислительном
17Q
фосфорилировании. Окисление каждой молекулы НАДН или
НАДФ(Н) дает три молекулы АТФ, а окисление ФАДН2 — две АТФ.
Следовательно, при полном окислении ПВК образуются 15 молекул
АТФ и 30 АТФ при двух оборотах цикла (табл. 12).
12. Вклад различных механизмов накопления энергии в образование АТФ при
аэробном окислении глюкозы
Тип механизма, участвующего в
накоплении энергии
Субстратный (гликолитический)
Субстратный (дыхательный)
Фосфорилирование в
дыхательной цепи (коферментное фосфорилирование)
Итого
За вычетом энергозатрат
при гликолизе (-2АТФ)
Реакция
*
Выход АТФ на одну
молекулу глюкозы
ФГА+НАД+ -> ФГК+НАДН
ФГК -» ПВК (пируват)
ПВК+НАД+ -> цитрат+НАДН
а-кето глутарат -> янтарная кислота
НАДН -> ФП
цитохром b -> цитохром с
цитохром с -> Ch
2
2
0
2
10
12
12
40
38
Если сюда добавить 8 АТФ, образованных в ходе гликолиза,
получается 38 АТФ, синтезированных при полном окислении
молекулы глюкозы. Принято считать, что энергия третьей сложноэфирной фосфатной связи АТФ равняется примерно 42 кДж/моль
(10 ккал/моль). Отсюда следует, что при полном окислении глюкозы
до СО2 и Н2О образуется 1591 кДж/моль (380 ккал/моль) энергии, в
то время как изменение свободной энергии составляет 2872 кДж/моль
(686 ккал/моль). Таким образом эффективность использования
энергии составляет ЦтЮО = = 55 %.
Однако подобная эффективность отмечена лишь в стандартных
условиях, т. е. при температуре 25 °C, давлении 1 Па и концентрации
реагирующих веществ 1 М. Вместе с тем большинство реакций в
растениях протекает в условиях, далеких от равновесия. Поэтому
эффективность, равная 55 %, не отражает реальной эффективности
дыхания в интактных клетках растения.
3.5.3.
ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ
Глюкозо-6-фосфат, образованный в начале гликолиза в результате
фосфорилирования глюкозы, может подвергаться дальнейшим
преобразованиям в окислительном пентозофосфатном цикле (нельзя
смешивать с восстановительным пентозофосфат- ным циклом при
фотосинтезе). Пентозофосфатный цикл, или гексозомонофосфатный
шунт, часто называют апотомическ.им окислением в отличие от
гликолитического цикла, называемого дихотомическим (распад
гексозы на две триозы). Цикл условно можно разделить на две фазы:
непосредственно окислительную и регенерации. Первая включает
превращение глюкозо-6-фосфата и двух молекул НАДФ в рибулозо-5фосфат, две молекулы НАДФ-Н и СО2 (рис. 60). Вначале глюкозо-6фосфат окисляется дегидрогеназой, в результате чего образуются
НАДФ-Н и 6-фосфоглюконовая кислота:
СбНцОб(Н2РО4) + НАДФ + НгО = СбНцОб(Н2РО4) + НАДФН,
которая затем подвергается декарбоксилированию с образованием
пятиуглеродных фосфорилированных сахаров (рибозо-5-фос- фат) и
СО2:
СбНцОб(Н2РО4) + НАДФ = С5Н9О4(Н2РО4) + НАДФ-Н + СО2.
Рибозо-5-фосфат способен переходить в ходе реакции изомеризации в кетоформу рибулозо-5-фосфат. Эти сахара выполняют в
клетке разные функции: они включаются в полимеры клеточной
стенки (пентозаны), расщепляются при обмене веществ с
образованием СО2, Н2О и АТФ, включаются в нуклеотиды РНК и ДНК
или участвуют в синтезе высокоэнергетических соединений, таких,
как АТФ.
В фазе регенерации участвуют только фосфорные эфиры сахаров,
причем те же, что и в фотосинтетическом цикле Кальвина. В ходе
процесса образуются седогептулозо-7-фосфат, эритрозо-4- фосфат,
фруктозо-6-фосфат и ФГА. Наличие общих промежуточных
продуктов в цикле Кальвина и ОПЦ свидетельствует о том, что эти
соединения могут переходить в случае необходимости из одного
цикла в другой. Совокупность реакций ОПЦ заключается в том, что из
шести молекул глюкозо-6-фосфата одна молекула окисляется до СО2,
а остальные пять регенерируют вновь и выходят из цикла. При этом
восстанавливаются 12 молекул НАДФ. Суммарное уравнение ОПЦ
выглядит так:
6 глюкозо-6-фосфат + 12НАДФ+ + 7НгО ->
5 глюкозо-6-фосфат + 6СО2 + 12НАДФ-Н + 12Н+ + НзРО4.
ОПЦ представляет собой анаэробное окисление, сопровождаемое
в отличие от гликолиза выделением СО2. Этот процесс, так же как и
гликолиз, локализован в цитоплазме, но частично происходит и в
пластидах. В цикле восстанавливаются 12 моле-
он
соон
6НАДФ-Н ■ . 1
VrlUri
сноп
6НАДФ
носн
снон
НОСН
„ 6 Н,о I о
носн
6 СНОН
6 СНОН
6
нс --------------
НС --------------
сир® 6-фосфоглюконолактон
сн2о® глюкозо-6фосфат
(пиранозная форма)
г
Х
I Н
СНОН
носн
2
о
2
снон
I
снон
СН2О®
рибозо-5фосфат
снон
снон
СНОН
СН2О©
снго®
рибулозо-5фосфат
сн2он
снон сн2о®
с=о
3-фосфоглицериновый
альдегид
носн
снон
I снон
СНОН
СН2О®
ксилулозо-5фосфат
снон
сн2о®
с=о
снон
О
о с// I хн
с-о ..
//°
сн,он
6 НАД
6-фосфоглюконовая
кислота
сн,он
с
„ 6 со, 6НАД-Н А ‘
СН2О® С=о
С
\ I ХН
СНОН
СН;О® 3-
фосфоглицериновый
альдегид
седогептулозо-7гС снон
фосфат
носн
снон
СНОН I
СН2О®
фруктозо-1,6► дифосфат
н,о
носн
2 СНОН сн2о©
ксилулозо-5фосфат
С'< I ХН
СНОН
2 I СН2О® 3фосфоглицериновый
альдегид
с11
снон I сн2о®
эритрозо-4фосфат
носн
2
СН2ОН 3фосфодиСНОН |
оксиацетон
СН2О®
фруктозо-6фосфат
снон
носн
снон
СНОН
с=о
СН2О®
фруктозо-6фосфат
СНОН
2 I СНОН
носн
к
сн2он
носн
снон
(
(
и Ji о г
С—о
ЧОZ
II
сн2он
11
снон
сн2о®
СНОН
I
CHjO©
ГЛЮКОЗО-6-
12
Рис. 60. Пентозофосфатный цикл:
1 — глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа; 2 — глюконолактоназа; 3 — фосфоглюконатдегидрогеназа; 4—фосфопентоэпимераза; 5—фосфопентоизомераза; 6, 8—транскетолаза; 7—трансальдолаза; 9 — триозофосфатизомераза; 10— альдолаза; 11 — фосфатаза; 12 — гексофосфатизомераза
куп НАДФ, и в результате транспорта электронов от НАДФ-Н по
дыхательной цепи митохондрий синтезируется 12 • 3 = 36 молекул АТФ.
Чистый выход энергии за вычетом молекулы АТФ, потраченной на
фосфорилирование глюкозы, составит 35 молекул АТФ. Однако
наибольшее значение этот цикл имеет как ь источник водорода из
НАДФ-Н, необходимого для восстановительного синтеза аминокислот,
жирных кислот и других соединений. Эритрозо-4-фосфат —
промежуточный продукт цикла — принимает непосредственное участие
в образовании шикимовой кислоты, необходимой для синтеза фенолов,
ауксинов и других ароматических физиологически активных
соединений.
В регуляции скорости пентозофосфатного цикла наряду с
концентрацией Рн, контролирующего также гликолиз, важную роль
играет содержание НАДФ+, которое тесно коррелирует со скоростью
ОПЦ. Так, например, восстановительное аминирование кетокислот, как
и другие биосинтезы, протекающие с использованием НАДФ-Н и
соответственно увеличением НАДФ+, активирует ОПЦ. Важную роль в
переключении с гликолиза на ОПЦ играет эритрозо-4-фосфат.
3.6.
АНАЭРОБНОЕ И АЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ
Еще в начале прошлого века было установлено, что ткани высших
растений, лишенные кислорода, находясь в атмосфере чистого азота или
водорода, продолжают выделять СОг- Такое дыхание было названо
интрамолекулярным (внутримолекулярным) исходя из предположения,
что оно осуществляется за счет кислорода самого субстрата. Позднее
было показано, что этот тип дыхания, как и нормальный, связан с
участием дегидрирующих ферментов, а также коферментов,
переносчиков фосфатных групп и т. д.
В соответствии с современными представлениями процесс дыхания
состоит из двух этапов. В ходе первого этапа, которому кислород не
нужен, дыхательный субстрат, например глюкоза, распадается до ПВК,
которая в ходе второго этапа может окисляться в присутствии О2 до СО2
и воды. Если же процесс превращения ПВК осуществляется в
анаэробных условиях, протекает брожение с образованием СОгЛ. Пастер (1860) первый, кто показал, что брожение есть проявление
жизнедеятельности дрожжей, необходимое для поддержания их
существования в бескислородной среде. Распад и окис' ление углеводов
до стадии ПВК совершаются тождественными путями как в процессе
брожения, так и аэробного дыхания. В этом заключается генетическая
связь этих процессов. Вместе с тем химизм брожения более простой, чем
химизм нормального кислородного дыхания. При брожении происходит
лишь расщеп
ление дыхательного материала, тогда как при дыхании идет расщепление, связанное с окислением. Так, при спиртовом брожении
организмы, сбраживающие углеводы (дрожжевые клетки), обладают
активной в анаэробных условиях декарбоксилазой ПВК. Под действием
этого фермента от ПВК отщепляется СО2 и образуется уксусный
альдегид, выступающий в качестве акцептора водорода от
восстановленного НАД:
СН3СОСООН
пировиноградная
кислота
сн3
С=О + НАДН + Н
I
+
-СО
2
декарбоксилаза
СН3СНО + со2
уксусный
альдегид
сн3 алкогольдегидрогеназа |
+
--------------------------- ► СН2ОН + НАД
этиловый спирт
н
уксусный
альдегид
При молочнокислом брожении, осуществляемом молочнокислыми
бактериями, ПВК не декарбоксилируется, а непосредственно
восстанавливается
с
участием
специфического
фермента
лактатдегидрогеназы. Донором водорода для этой реакции является
восстановленный НАД:
лактатдегидрогеназа
.
СН3СОСООН + НАДН2 ------------------------- ► СН3СНОНСООН + НАД
Этот тип брожения часто встречается в клубнях картофеля,
корнеплодах моркови и свеклы, прорастающих семенах. Если ПВК
подвергается окислительному декарбоксилированию, образуется
уксусная кислота:
СНзСО СООН -> СНзСООН + со2.
пировиноградная уксусная кислота кислота
Уксусная кислота путем конденсации превращается в ацетоуксусную, которая, восстанавливаясь, дает масляную кислоту
СН3СН2СН2СООН.
Указанные реакции представляют собой возможные химические
пути превращения ПВК в анаэробных условиях. Однако в ходе брожения
высвобождается мало энергии, поскольку конечные продукты реакций
обладают большим запасом нереализованной химической энергии. Так,
1 моль глюкозы со свободной энергией 2872,14 кДж высвобождает
энергию при спиртовом брожении 118,07, при молочнокислом — около
41,87, при маслянокислом — около 62,80 кДж. Таким образом,
энергетическая эффективность брожения довольно низкая.
Анаэробный и аэробный пути превращения дыхательного субстрата
являются двумя сторонами единого дыхательного процесса. В
отсутствие кислорода основным источником энергии в клетке служат
гликолиз и брожение, а в аэробных условиях — окислительное
расщепление дыхательных субстратов. О связи процессов брожения и
дыхания свидетельствует также то, что в растениях выявлены те же
промежуточные продукты и ферменты, что и при спиртовом брожении,
даже в тканях растений, нормально снабжающихся кислородом.
3.7. ЭЛЕКТРОННО-ТРАНСПОРТНАЯ ЦЕПЬ ДЫХАНИЯ
И ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Электронно-транспортная цепь дыхания. В рассмотренных реакциях цикла Кребса и при гликолизе молекулярный кислород не
участвует. Потребность в кислороде возникает при окислении
восстановленных переносчиков НАДН и ФАДН2, в которых заключена
значительная
энергия.
Процесс
высвобождения
энергии,
осуществляемый постепенно, заключается в передаче электронов от
НАДН и ФАДН2 по ЭТЦ на свободный кислород, который, таким
образом, служит терминальным акцептором электронов (рис. 61). ЭТЦ
растений состоит из четырех мультибелковых комплексов и двух
небольших компонентов — убихинона и цитохрома с, расположенных
как на внутренней мембране митохондрий, так и внутри нее. Комплексы
I, III и IV представляют собой пункты сопряжения транспорта
электронов с фосфорилированием. Компоненты дыхательной цепи
(переносчики электронов) в определенной мере мобильны, поскольку
они как бы представляют собой составную часть жидкого липидного
бислоя и, по данным Б. Чанса и др. (1956), расположены в порядке,
указанном на рисунке 61.
Следовательно, ЭТЦ представляет сложное образование, состоящее
из нескольких десятков белковых молекул и лежащее между
метаболитами цикла ТКК с одной стороны и кислородом воздуха с
другой. Белки выполняют в основном структурную функцию, входят в
состав сопрягающего фактора, а также являются переносчиками
электронов. Простетическими группами белков-переносчиков служит,
как отмечалось, наряду с флави- 1 ном и гемом железо, имеющее
переменную валентность и, следовательно, легко переходящее из одной
формы в другую. Например, в гемсодержащих цитохромах поступающие
к ним по ЭТЦ электроны восстанавливают железо, переводя его из окисной формы (Fe3+) в закисную (Fe2+). Каждый такой переносчик
Рис. 61. Передача энергии по цепи переносчиков электронов в митохондриальной мембране
находится на несколько более низком уровне восстановленности, чем его
предшественник, и в соответствии с этим содержит меньше энергии.
Зная
окислительно-восстановительный
потенциал
отдельных
компонентов ЭТЦ, их можно расположить в порядке его убывания — от
—0,32 у дыхательного субстрата до +0,82 у кислорода.
Электроны скатываются с этой «энергетической» горки благодаря
разности потенциалов не сразу, а постепенно, что позволяет, во-первых,
избежать неэффективного выброса энергии и, во-вторых, связать
энергию в форме химических связей АТФ, образуемых из АДФ и Рн. В
этом, по существу, и заключается физиологический смысл транспорта
электронов.
На каждую молекулу НАДН, передающую свои электроны в ЭТЦ,
синтезируются три молекулы АТФ, а на каждую молекулу ФАДНг —
две. Процесс фосфорилирования АДФ с образованием АТФ,
сопряженный с транспортом электронов от дыхательного субстрата к
О2, получил название окислительного фосфорилирования. Этот процесс
является основным источником энергии АТФ в клетке в нормальных
физиологических условиях, требующим достаточно сложной структуры
как ЭТЦ дыхания, так и самих митохондрий. Нарушение в любой точке
цепи переноса электронов при стрессе полностью блокирует транспорт
электронов. Так, дыхательные яды (цианид, окись углерода) могут соединиться с железом цитохромов, вследствие чего Fe3+ не переходит в Fe
. В этом случае функция энергообеспечения клетки переходит к
гликолизу как к более надежному и филогенетически относительно
старому механизму и к окислительному пенто- зофосфатному циклу,
который не блокируется при обработке динитрофенолом. Не случайно
активность ОПЦ заметно возрастает при дефиците питания, влаги, света,
а также при старении.
Окислительное фосфорилирование. Главной особенностью внутренней мембраны митохондрии является присутствие в ней белков —
переносчиков электронов. Эта мембрана непроницаема для ионов
водорода, поэтому перенос последних через мембрану осуществляется с
помощью специфических переносчиков. Так, например, в мембране
локализована система цитохромоксидазы, включающая цитохром с,
локализованный вблизи внешней поверхности мембраны, цитохром а,
расположенный в центре мембранного матрикса, и цитохром аз,
примыкающий к ее внутренней поверхности.
По мнению П. Митчелла (1961), именно особенности структуры
внутренней мембраны, локализации в ней переносчиков и
функционирования ферментных белков обеспечивают разделение
зарядов атома водорода: протонов на внешней, а электронов — на
внутренней поверхности мембраны (рис. 62). Вследствие этого на
внутренней митохондриальной мембране возникает протонный градиент
Ац/7, поддерживаемый непроницаемостью мембраны для протонов.
Большая его часть приходится на градиент электрического заряда (Ду),
меньшая — на градиент концентрации (ДрН). Если же применять
ядовитые вещества, образующие протонные каналы через мембрану, то
происходит «утечка» ионов водорода, и протонный градиент исчезает.
В мембране имеются три петли, организованные белками —
переносчиками электронов, «прошивающими» мембрану насквозь при
переносе ё от НАДН на кислород. В результате этого электроны трижды
выносятся на внутреннюю поверхность, а протоны остаются снаружи,
что и создает между сторонами мембраны протонный градиент ДцЯ. При
этом с внутренней стороны митохондриальная мембрана оказывается
более щелочной, а с наружной — более кислой.
Кроме этой в мембране имеются еще несколько систем, генерирующих мембранный потенциал. Например, АТФ-аза создает на
мембране ДцЯ за счет гидролиза макроэргической связи АТФ и
активного переноса протона на внешнюю поверхность мембраны.
Энергетическая емкость сопрягающих мембран невелика, что не дает
возможности запасать большое количество энергии в форме ДцЯ.
Поэтому последняя превращается в более стабиль-
Электрический
потенциал
Грибовидный Вырост
(фактор сопряжения)
Фосфорилирование / Высокая
_____ концентрация " ' "
_____ протонов
Рис. 62. Образование АТФ в митохондриях с точки зрения хемиосмотической
теории. (С изменениями по Р. С. Hinkle и R. Е. McCarthy, 1978.)
ную и универсальную химическую форму макроэргических связей в
молекулах АТФ -в ходе окислительного фосфорилирования. Суть его
заключается в образовании молекулы АТФ из АДФ и неорганического
фосфата Рн. Суммарный заряд молекулы АДФ равен —6, а продукта
реакции АТФ —4. Поэтому превращение АДФ в АТФ требует двух
положительных зарядов:
АДФ-6 + Рн + 2Н+ -> АТФ-4 + Н2О.
Эти два протона переносятся по каналам, имеющимся в грибовидных
выростах с внешней поверхности мембраны, за счет ДцЯ, в результате
чего с помощью встроенной в мембрану АТФ-синтетазы образуется
АТФ. Поскольку движение протонов, АДФ и Рн через мембрану
происходит по градиенту концентрации (осмотически), теория
окислительного
фосфорилирования
получила
название
хемиосмотической. АТФ — молекула, богатая энергией, поскольку ее
трифосфатный компонент содержит две фосфоангидридные связи.
Образующаяся при гидролизе молекулы АТФ энергия может быть
использована на синтез веществ, активный . транспорт против
электрического градиента, всякого рода движения, сократительную
деятельность
белков,
генерацию
заряда
на
мембране,
биохемилюминесценцию. АТФ является главным донором свободной
энергии в растении, а не формой ее запасания. АТФ в клетке используется в течение минуты после ее образования, т. е. оборот АТФ очень
высок.
Альтернативный путь дыхания. Наряду с широко распространенным цитохромным путем переноса электронов по ЭТЦ в растениях
может функционировать альтернативный, устойчивый к действию
цианида транспорт электронов. В этом случае поток электронов может
обходить комплексы III и IV переносчиков ЭТЦ, где транспорт
электронов сопряжен с активным транспортом протонов и
фосфорилированием. В результате отношение Р:О и, следовательно,
эффективность дыхания значительно снижаются. Альтернативный путь
дыхания характерен практически для всех видов растений. Доля этого
пути в общем поглощении О2 может доходить до 50 %, причем она выше
в корнях, чем в листьях. Физиологическая роль этого пути не вполне
ясна.
По мнению Г. Ламберса (1985), альтернативный путь служит в
качестве «клапана» сброса избытка энергии в растении, особенно для тех
органов, куда поступают ассимиляты с высоким отношением C:N и где
невозможно хранение избыточных количеств углеводов, например, в
корнях. Так, в молодых корнях моркови и сахарной свеклы вклад
альтернативного пути в общее дыхание составил 50 %, а в зрелых
корнеплодах — лишь 25 %. Альтернативный путь может также
способствовать окислению НАД Н при высоком содержании АТФ,
обеспечивая таким образом быстрое' функционирование гликолиза и
цикла ТКК в отсутствие ингибирования избытком НАД-Н.
Альтернативный путь действует тогда, когда предложение ассимилятов
превышает спрос и скорость переноса электронов на убихинон
превосходит способность цитохромного пути транспорта электронов
или последний насыщен.
Однако оценить вклад альтернативного пути в общее дыхание
достаточно сложно, поскольку установлены факты переключения
переноса электронов с альтернативного на цитохромный путь и обратно.
Механизмы, регулирующие переключение, пока не выявлены. Задача
усложняется тем, что вклад альтернативного пути в значительной мере
определяется условиями выращивания культур.
3.8. ВЗАИМОСВЯЗЬ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА В РАСТЕНИИ
Каждый механизм накопления энергии вносит определенный, но
неравнозначный вклад в общий фонд образования АТФ в клетке. Разные
пункты сопряженного фосфорилирования в ЭТЦ также неравноценны с
точки зрения энергетической эффективности. При величине Р:О=3 около
2
/з всего количества АТФ, образуемого при аэробном дыхании, должно
поставляться вторым и третьим фосфорилированием дыхательной цепи,
т. е. переносом электронов, связанным с цитохромной системой. Из
основных субстратов только янтарная кислота и ацетил-Ко А
окисляются, минуя НАД+ и первую точку фосфорилирования в ЭТЦ.
За счет субстратного фосфорилирования в цикле Кребса образуются
только две молекулы АТФ, за счет коферментного — 34. В ходе
гликолитического фосфорилирования за вычетом затрат на запуск
гликолиза образуются две молекулы АТФ, за счет коферментного — 34.
Хотя вклад гликолиза как анаэробной фазы в общий фонд энергии клетки
ниже, чем вклад аэробной фазы, гликолиз является одним из важных
поставщиков энергии при дефиците кислорода в ткани. Кроме того,
факторы, нарушающие фосфорилирование в митохондриях, не
затрагивают гликолитической энергетической системы.
Роль гликоза в синтезе АТФ возрастает и тогда, когда энергия ЭТЦ
дыхания используется не для фосфорилирования, а на эн- дэргонические
функции митохондрий (активный транспорт ионов, конформационные
изменения митохондрий и др.). Значение гликолиза как поставщика
энергии заключается еще в том, что биосинтетические процессы,
локализованные в цитоплазме, легче используют АТФ, образующуюся в
гликолитическом фосфорилировании непосредственно в цитоплазме.
Таким образом, гликолиз, как и субстратное фосфорилирование, не
требует высокой степени структурной организации фосфорилирующих
механизмов, которые необходимы сопряженному фосфорилированию в
ЭТЦ. Поэтому они не нарушаются при повреждении структуры
митохондрий.
Кроме
того,
субстратное
фосфорилирование
нечувствительно к ДНФ и другим факторам, угнетающим коферментное
фосфорилирование, например, при разрушении митохондрий.
Вышесказанное позволяет считать гликолиз и субстратное
фосфорилирование более надежными источниками энергии в клетке,
особенно в неблагоприятных условиях выращивания. Однако для
оптимального функционирования клетки важны все механизмы
образования макроэргов, поскольку растительные организмы
произрастают в изменяющихся условиях среды. Например,
существенные изменения в соотношении между отдельными путями
дыхания наступают у растений под влиянием фотопериодического
воздействия. Так, длинный день активирует аэробные превращения
дыхательного субстрата, а короткий день — гликолитические процессы
и пентозофосфат- ный цикл. В период роста листа растяжением скорость
гликолиза и цитохромного пути снижалась, а скорость альтернативного
пути оставалась постоянной.
3.9.
РОЛЬ ДЫХАНИЯ В БИОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
Тесная связь дыхания с биосинтетическими функциями клетки не
ограничивается использованием реализуемой в ходе окислительных
процессов
химической
энергии
дыхательного
субстрата.
Промежуточные продукты дыхания могут использоваться в процессах
новообразования компонентов протоплазмы (рис. 63). Например,
аминирование а-кетоглутаровой кислоты приводит к образованию
глутаминовой кислоты:
соон
соон
I
I
о=с
+ CHNH2
I + NH3 + НАД(Ф) ■ Н + Н ------ *- I + НАД(Ф)+
Н 2С
СН2
Н2с
I
соон
СН2
4
соон
К аминированию путем непосредственного присоединения аммиака
способны также ПВК и ЩУК. Так, прямое аминирование ПВК приводит
к образованию аланина:
CH3COCOOH + NH3 НАДФ ' Н > СН3СНСООН
пировиноградная
кислота
|
NH2
аланин
В процессах восстановительного биосинтеза используется почти
исключительно
НАДФ-Н,
тогда
как
НАД-Н
потребляется
преимущественно для генерирования АТФ.
С окислительными превращениями трикарбоновых кислот в цикле
Кребса тесно связаны процессы биосинтеза жиров. Конденсация двух
молекул уксусной кислоты при участии КоА приводит к образованию
ацетоуксусной кислоты, при восстановлении которой получается
масляная кислота:
СН3СОСН2СООН -> СН3СН2СН2СООН + 1Z2O2.
ацетоуксусная кислота масляная кислота
Путем последовательного присоединения ацетильных радикалов,
активируемых КоА, и происходит наращивание углеродной цепи —
синтез жирных кислот в организме. В ходе гексозомонофосфатного дыхания образуются активные
формы пентоз, участвующие в построении важнейших соединений
клетки. У гетеротрофных организмов гексозомонофосфатное дыхание
представляет единственный путь в образовании пентоз.
Таким образом, промежуточные продукты дыхания могут дать
начало всем основным компонентам растительной клетки, и дыхание в
этом случае выполняет функции, которые по своему
Гексоза
Гликолиз
Полимеры клеточной
стенки
^—►Нуклеотиды ^Нуклеиновые \
Пентозный
кислоты
4
шунт
АроматаческиеХцитокининь1
Глицерин
аминокислоты (гормоны)
Пировиноградная
кислота
Фенольные Индолилуксусная
соединения кислота (гормон)
Жирные кислоты
Переаминирование
(NH3)
Ацетил-СоА
Аланин
/ [Цикл Кребса|
Терпеноиды
■► Стероиды
Изопреноиды
Гибберелловая
кислота Абсцизовая
кислота
Щавелевоуксусная (NHj) /кисл?та
Аспарагиновая
а- кетоглутаровая
Белки кислота
| (NH3)
Прочие ами- >
^Глутаминовая кислота
нокислоты, г
образовав- /
шиеся путем
Прочие аминокислоты,
переаминирообразовавшиеся путем
вания, в том
переаминирования
числе и серусодержащий
метионин
i
Этилен
Рис. 63. Промежуточные продукты превращений, происходящих при окислении углеводов в процессе дыхания
значению для синтетической функции клетки не уступают фотосинтезу.
Далее эритрозо-4-фосфат, образующийся на одном из этапов
пентозофосфатного цикла, образует в результате взаимодействия с ФЭП
циклическое соединение — шикимовую кислоту. Последняя составляет
материальную основу для синтеза всех ароматических аминокислот и в
их числе триптофана, который, в свою очередь, является
предшественником гетероауксина — основного ростакгивирующего
гормона растительной ткани.
Шикимовая кислота после ряда превращений может дать начало
ароматическим аминокислотам — фенилаланину и тирозину,
последующее дезаминирование которых приводит к образованию веществ вторичного происхождения — коричных кислот и
кумаринов. С синтезом последних, в свою очередь, связано образование
полифенолов. При декарбоксилировании аминокислот образуются
амины, являющиеся предшественниками алкалоидов. Важная роль
принадлежит дыханию в биосинтезе зеленых пигментов листа, что
свидетельствует о тесной связи фотосинтеза и дыхания.
Из изложенного видно, что окислительные превращения дыхательного субстрата занимают важное место в процессах биосинтеза не
только белков, жиров и углеводов, но и регуляторов процессов обмена
— ферментов и коферментов, веществ вторичного происхождения и
гормонов.
3.10.
СВЯЗЬ ДЫХАНИЯ И ФОТОСИНТЕЗА
Взаимосвязь дыхания и фотосинтеза — одна из важных и вместе с
тем сложных проблем физиологии растений. Хотя при фотосинтезе
растение использует конечные продукты дыхания, а субстратами
дыхания служат продукты фотосинтеза, эти два процесса в течение
длительного
периода
рассматривали
как
диаметрально
противоположные. Действительно, при фотосинтезе происходит синтез
органического вещества, при дыхании — его распад, при фотосинтезе
осуществляется восстановление, а при дыхации — окисление вещества.
АТФ, образуемый в митохондриях, используется практически на все
внутриклеточные процессы, а АТФ хлоропластов — главным образом на
процессы ассимиляции СО2- Кроме того, при дыхании укорочение
углеродной цепи происходит в результате декарбоксилирования
веществ, а при фотосинтезе — карбоксилирования.
Однако, несмотря на все различия, фотосинтез и дыхание тесно
связаны. Например, если рассматривать на молекулярном уровне
одинаковые начальные и конечные этапы цикла Кальви- нй и
пентозофосфатного пути, многие промежуточные продукты и
каталитические системы тождественны. Промежуточные продукты
обоих процессов широко используются в различных биосинтезах.
Основными функциями как митохондрий, так и хлоропластов являются
транспорт электронов и сопряженные с переносом электронов процессы
связывания энергии в виде АТФ при фосфорилировании.
При фотосинтезе активирование электрона происходит за счет
энергии кванта света, при дыхании — за счет энергии химических
связей, сосредоточенной в молекуле дыхательного субстрата. Однако
свободная энергия любого органического соединения генетически
связана с фотосинтезом. Следовательно, как при фотосинтезе, так и при
дыхании источник образования активного электрона — это
электромагнитная энергия кванта света.
И ОО
Много общего обнаруживают компоненты ЭТЦ митохондрий и
хлоропластов. Последнее позволяет считать, что при формировании
каталитических систем аэробного дыхания, возникших в эволюционном
отношении вслед за фотосинтезом, были широко использованы
важнейшие компоненты ЭТЦ фотосинтеза.
Ультраструктура и химический состав органелл не только
принципиально близки, но и во многих отношениях общие. Обе
органеллы способны самостоятельно осуществлять синтез белков. Это
свидетельствует о большой автономности этих органелл и способности
к самовоспроизведению, подтверждает идею об их происхождении от
общего предшественника — пропластиды. Кроме того, практически все
продукты процесса гликолиза, цикла Кребса и гексозомонофосфатного
пути обычно обнаруживаются в группе соединений, относящихся к
самым ранним продуктам фотосинтеза.
Все это свидетельствует о несостоятельности попыток противопоставить дыхание фотосинтезу с общебиологической точки зрения.
Как отмечал П. С. Беликов (1980), гликолиз — анаэробное дыхание —
филогенетически, вероятно, был первым поставщиком энергии для
клетки. Фотосинтез, появившийся в эволюции позднее, обогатил
атмосферу кислородом, в результате чего стало возможным аэробное
дыхание. Пентозофосфатный цикл, проходящий в условиях высокого
содержания кислорода, мог возникнуть еще позднее.
Тесная связь между фотосинтезом и дыханием сохраняется также на
уровне целого растения. С тех пор как П. Бойсен-Йенсен (1932) ввел
понятие «нетто-ассимиляция», а А. Я. Кокин составил известное
уравнение: «Прирост = фотосинтез — дыхание», последнее стало
рассматриваться главным образом как растрата ассимилятов (цит. по О.
А. Семихатовой, 1987). В этот период считалось, что уменьшение
дыхания приводит к повышению продуктивности растения.
Концепция «медленное дыхание — высокая продуктивность»
обязана своим происхождением обнаруженной среди зерновых культур
отрицательной корреляции между интенсивностью дыхания корней и
скоростью роста при дефиците влаги. Сорта с низкой ИД корней имели,
как правило, более высокую продуктивность при одинаковой ИФ.
Однако позже было отмечено, что высокая активность дыхания может
компенсироваться увеличением фотосинтеза, а также ускорением роста
и развития растений. Подобная неоднозначная оценка роли дыхания
подтверждает высказывание В. А. Бриллиант о том, что вопрос о
соотношении фотосинтеза и дыхания в процессе создания урожая
выходит далеко за рамки простого сопоставления функций синтеза и
распада органических соединений растения.
Действительно, скорость как дыхания, так и фотосинтеза может
служить показателем функциональной стойкости расте
ний, и их измерение позволяет
выявить
причины
изменений
продуктивности
в
конкретных
условиях среды. По мнению О. В.
Заленского (1977), в ряде случаев по
изменениям фотосинтеза и дыхания
можно предсказать не только
направление
изменений
продуктивности растений, но и ее
величину.
В конце 60-х годов для посевов
многих
сельскохозяйственных
культур (пшеница, рис, люцерна,
хлопчатник и др.) было установлено,
Рис. 64. Зависимость скорости газообмена посевов от ИЛП (по К. I.
что дыхание возрастает не прямо
McCree, I. Н. Troughton, 1966):
пропорционально
увеличению
Рк — гросс-фотосинтез; Рп — нетто-фотолистового индекса или сырой массы
синтез; R — дыхание
растения, как считали ранее. При определенной величине листового
индекса кривая дыхания, как и фотосинтеза, выходит (или почти
выходит) на плато (рис. 64). Скорость накопления биомассы также не
имеет максимума и, следовательно, нет оптимального ИЛП. Эти данные
привели исследователей к мысли о тесной связи фотосинтеза и дыхания
посева, что количественно было впервые выражено голландским ученым
Мак Кри в 1970 г.:
R = aPq + bW,
где А и Рч — соответственно скорость дыхания и суммарный фотосинтез единицы площади
посева, г СО2/(м2сут); W— сухая биомасса, г, выраженная в эквивалентах СОг; а и b —
коэффициенты дыхания соответственно на рост и на поддержание.
Таким образом, дыхание посева состоит из дыхания на рост (аР9) и
дыхания на поддержание (bW).
Коэффициент дыхания на рост изменяется в небольших пределах
(0,2—0,3), гораздо шире изменяется коэффициент дыхания на
поддержание — 0,01—0,04, имеющий размерность скорости — г/(гсут).
Величины коэффициентов указывают на то, что в суточном балансе
углерода от 20 до 30 % гросс-фотосинтеза тратится на дыхание роста и
1—4 % уже накопленной биомассы — на дыхание поддержания.
Дыхание на рост обеспечивает энергией синтез новой биомассы, т. е.
превращение продуктов фотосинтеза, например глюкозы, в белки, жиры,
липиды и углеводы.
Круг процессов, именуемых термином «поддержание», четко не
очерчен. В целом они связаны с энергией, затрачиваемой на ресинтез
ферментативных и структурных белков, липидов, РНК и ДНК,
обновляющихся в ходе обмена веществ; поддержание в клетках
необходимой концентрации ионов и величины pH; сохранение
внутриклеточного фонда метаболитов; физиологическую адаптацию,
обеспечивающую функционально активное состояние структур.
Количественное разделение дыхания на компоненты и оценка их
величин с физиологических позиций позволяют выявить особенности
использования ассимилятов растениями в зависимости от условий
произрастания. Это хорошо видно на следующей схеме:
Гросс-фотосинтез растения (Pq), суммированный в течение
фотопериода, формирует определенное количество субстрата (A*S),
часть которого (ASm) используется для генерации энергии и углеродного
скелета, необходимого для поддержания статус- кво клетки. Иными
словами, Д5т = bW. Остальная часть субстрата (Д5д) расходуется на
процессы роста массы (ДИО и связанное с последним дыхание,
называемое дыханием роста (Д5я или aPq). Разделение на дыхание роста
и дыхание поддержания только количественное, так как обе компоненты
имеют одинаковую биохимическую основу. Принципиальная разница
между ними в том, что дыхание роста не зависит от температуры, но
сильно зависит от обеспеченности дыхания субстратом, в то время как
дыхание поддержания сильно зависит от температуры, но не зависит
непосредственно от поступления субстрата.
3.11.
ЗАВИСИМОСТЬ ДЫХАНИЯ ОТ ВНУТРЕННИХ
ФАКТОРОВ
Субстраты дыхания и дыхательный коэффициент. Субстратом
для дыхания в растении могут служить не только глюкоза или другие
гексозы, но также липиды и белки. Стехиометрия СО2- и О2-обмена
зависит от типа субстрата. Отношение объема выделившегося СОг к
объему поглощенного О2 получило название дыхательного
коэффициента (ДК). При полном окислении глюкозы ДК=1,0, т. е. 1
моль глюкозы окисляется с поглощением 6 молей Ог, и при этом
выделяется 6 молей СО2, что вытекает из суммарного уравнения
дыхания:
СбНпОб + 6O2 -> 6Н2О + 6СО2 ДК = 6СО2/6О2 = 1,0. глюкоза
При полном окислении липидов, белков и других соединений с
высокой степенью восстановленности ДК оказывается меньше единицы,
например:
С18НзбО2 + 2602 -+ I8CO2 + 18Н2О; ДК = I8CO2/26O2 = 0,7. стеариновая
кислота
Если в качестве субстрата служат более окисленные, чем сахара,
соединения, ДК превышает единицу:
2С4Н4О5 + 502 8СО2 + 4Н2О; ДК = 8СОг/5Ог = 1,6.
шавелевоуксусная кислота
Таким образом, ДК выступает как мера окисленности субстрата.
Однако на ДК кроме типа субстрата влияет целый ряд факторов, в
частности полнота окисления субстрата или условия выращивания. Так,
частичное окисление сахаров до ПВК сопровождается поглощением О2,
но без выделения СО2. Вместе с тем при последующем
декарбоксилировании с образованием ацетил- КоА, используемого для
синтеза жирных кислот, наоборот, выделяется СО2, но поглощения О2
не происходит. Аналогично повышение концентрации СО2 тормозит
реакции декарбоксилирования и активность сукцинатдегидрогеназы.
При этом выделение СО2 и ДК уменьшаются. Так, при низком
парциальном давлении кислорода в среде ДК возрастает в результате
главным образом сильного подавления поглощения О2, а выделение СО2
снижается лишь незначительно.
Этот пример наглядно свидетельствует о том, что эти два процесса
протекают независимо один от другого, так как катализируются разными
ферментами. Величина ДК возрастает со снижением влажности ткани и
температуры окружающей среды, но заметно уменьшается при
механических повреждениях, в частности при повреждении корне- и
клубнеплодов в ходе уборки. В последнем случае поглощение О2 может
возрасти до 10 раз в сравнении с неповрежденными клубнями, что может
существенно увеличить потери органического вещества при хранении.
Часто ИД выражается количеством поглощенного кислорода [мг
С>2/(г-ч)]. Чтобы превратить это значение в количество выделившегося
СО2, необходимо определить величину ДК. Если ДК=1, то для
превращения количества поглощенного О2 в количество выделившегося
СО2 первое необходимо умножить на 1,375, равное отношению
молекулярных масс СО2 и Oj.
Содержание углеводов. Как правило, содержание углеводов,
главным образом растворимых сахаров, достаточно тесно коррелирует с
ИД, что было установлено на листьях огурца, томата, кормовых бобов,
пшеницы и других культур. Однако встречаются исключения. Так, ИД
листьев сахарной свеклы, ячменя, райграса, сои не зависела от
содержания углеводов. Анализ показал, что тесная корреляция между
указанными параметрами наблюдается при низкой концентрации
сахаров, а слабая — при высокой. В последнем случае ИД определяется
уже не фондом углеводов, а иными факторами, например потребностью
в АТФ или наличием АДФ для окислительного фосфорилирования.
Тесная корреляция между содержанием углеводов и ИД сохраняется
обычно в том случае, если в суммарном дыхании доминирует дыхание
роста, что происходит в активно растущих тканях или листьях,
непосредственно снабжающих плодоэлемен- ты ассимилятами при
усиленном спросе со стороны акцептора. После завершения роста и в
стареющих тканях, дыхание которых представлено главным образом
дыханием поддержания, корреляция между указанными параметрами
быстро ослабевает.
Донорно-акцепторные отношения. В механизме связи между
донором, проводящей системой и акцептором важное место занимает
дыхание. Активность фотосинтетического аппарата (донор ассимилятов)
определяется аттрагирующей способностью растущих органов
(акцептор). Так, скорость роста корней при дефиците влаги, как и их
вклад в общую биомассу растения, выше у сортов, устойчивых к засухе,
чем у более чувствительных. Это обусловлено импортом в корни
растений устойчивых сортов большего количества ассимилятов,
используемых как на рост, так и на более активное дыхание.
Сильная аттрагирующая способность корней, в свою очередь,
обусловливает более высокую ИФ и скорость дыхания поддержания
листьев у устойчивого сорта. Тесная связь между ИФ и дыханием
поддержания листьев объясняется тем, что последнее обеспечивает
энергией обновление «отработавших» фотосинтетических структур и
способствует сохранению более активного фотосинтетического аппарата
у устойчивого сорта при дефиците влаги. Таким образом, характер
регуляции дыхания определяется соотношением роста и фотосинтеза
растения или связями между акцепторными и донорными тканями в
конкретных условиях выращивания. Потребности акцептора (роста)
являются при этом доминирующими.
Проводящая система играет активную роль в транспорте ассимилятов
от донора к акцептору, что подтверждается ее высокой ИД. До 5 %
транспортируемого по флоэме углерода затрачивает
ся на процессы дыхания, а 95 % поступают к акцептору. Около трети от
указанных затрат (1,5—1,7 %) приходится на загрузку флоэмных
окончаний сахарозой в донорной ткани.
Дыхание также обеспечивает энергией компартментацию ассимилятов в фондах временного депонирования и их последующее
использование. Так, на передвижение из органа-депонента (стебель у
пшеницы) к акцептору (колос) 1 мг азота необходимо около 2,7 мг сухого
вещества, затрачиваемого на дыхание.
С возрастанием ИД аттрагирующих органов, например бобов сои,
усиливаются приток к ним ассимилятов и рост. При этом аттрагирующая
способность органов зависит не только от использования самих
ассимилятов на рост, но и от того, насколько сильное дыхание
сопровождает этот процесс. Поэтому по ИД роста можно судить о
скорости роста аттрагирующего органа или всего растения.
Растение (орган), его возрастное состояние. Жизненный цикл у
большинства растений начинается с прорастания семени. Сухие семена
обычно поглощают мало кислорода. Однако по мере набухания скорость
поглощения Ог (выделения СО2) семенами увеличивается, достигая
наибольших значений в период интенсивного роста зародыша.
В опытах, проведенных в ТСХА на фасоли, органы располагались в
следующей последовательности в порядке убывания ИД: цветки, листья,
корни, прорастающие семена, стебли, сухие семена. ИД крайних членов
ряда различалась в 80 раз в пользу цветков и составляла соответственно
16 и 0,2 мг СОгДг ч) (Е. И. Кошкин, М. В. Моторина, 1981).
ИД листьев, максимальная в молодом возрасте, снижается по мере
уменьшения скорости роста (рис. 65). Так, закончившие рост листья
ячменя использовали на дыхание за сутки сухую массу, равную 3 % их
начальной массы, растущие листья
— 20—25 %. При старении листьев
на растениях часто наблюдается
временное увеличение ИД, хотя и
менее выраженное в сравнении с
климактерической
активацией
дыхания
у
сочных
плодов.
Одновременно в этот период
усиливается выделение этилена
листьями, что указывает на связь
между этими процессами.
Активация дыхания в период.
Г\п старения может быть следствием
разобщения окисления с фосфорилированием или усиления
Интенсивность дыханиярюЩрч)
метаболизма для обеспечения
Рис. 65. Связь интенсивности дыхания
энергией процессов реутилизации
листа райграса со скоростью его
углерода и азота из вегетативных
растяжения (по L. Moser, 1982)
органов и их транспорта в
развивающиеся плодоэлементы.
ИД корней, как и листьев, по мере старения растений уменьшается, а
в расчете на целый орган быстро увеличивается в фазе вегетативного
роста, остается постоянной от цветения до начала налива зерна, а затем
снижается к фазе уборочной спелости. Динамика дыхания корня в
онтогенезе растения аналогична динамике фотосинтеза целого растения,
имеющей форму колоколообразной кривой с максимумом в фазе
цветения генеративных органов.
В среднем за вегетацию к корням поступает 30—35 % ассими- лятов,
образованных в листьях при фотосинтезе. Около 2/з этого количества
затрачивается на дыхание корней, а остальное — на рост. Интенсивность
дыхания в расчете на единицу массы целого растения уменьшается по
мере старения, что объясняется как снижением дыхания роста в
результате уменьшения скорости роста, так и уменьшением дыхания
поддержания. Вклад дыхания плодоэлементов у сои, пшеницы, кукурузы
составляет 50—70 % дыхания побега в фазе цветения и 20—25 % — в
фазе уборочной спелости.
3.12.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДЫХАНИЯ
Содержание воды. Дефицит влаги оказывает разнообразное влияние
на физиологические процессы в растении. По данным Дж. Бойера (1970),
полученным на подсолнечнике, кукурузе и сое, с усилением дефицита
влаги прежде всего подавлялся рост, затем фотосинтез и в последнюю
очередь дыхание. При достаточно низком водном потенциале почв (—
1,2 МПа) ИД снизилась по сравнению с контролем в 2 раза, а ИФ — в 5
раз. Степень ингибирования дыхания при этом определялась устойчивостью генотипа к недостатку влаги в почве. По данным ТСХА, дыхание
сильнее подавлялось у менее засухоустойчивого современного гибрида
кукурузы КВС 701, чем у относительно устойчивого сорта старой
селекции Воронежская 76.
Реакция дыхания растений на дефицит влаги зависит также от
скорости снижения влажности почвы. При быстром падении
влагообеспеченности, по данным X. А. Молдау (1980), ИД может даже
возрастать. Это объясняется главным образом увеличением
коэффициента дыхания поддержания при относительном постоянстве
коэффициента на рост. В результате отношение дыхания к фотосинтезу
растения резко возрастает и углеродный баланс ухудшается. При
постепенном нарастании дефицита влаги, что наблюдается, например, в
полевых условиях, ИД уменьшается параллельно снижению скорости
роста и ИФ. При этом содер
жание углеводов в тканях уменьшается значительно медленнее, чем ИД.
Поэтому основной причиной снижения ИД является торможение роста,
а не дефицит субстрата дыхания. Этим же объясняется более сильное
ингибирование ИД молодых, растущих органов по сравнению с
закончившими рост.
По данным Б. И. Гуляева с сотрудниками (1989), наиболее
чувствительным к усилению дефицита влаги в почве оказалось дыхание
стеблей, затем листьев и колосьев пшеницы. При этом суммарные
дыхательные затраты растения за вегетационный период, приходящиеся
на 1 г образованного зерна, а также отношение дыхания к фотосинтезу
растения были значительно выше, чем в условиях оптимальной
влагообеспеченности. Вместе с тем при выращивании растений в
условиях стационарного дефицита влаги в течение всего вегетационного
периода эти показатели у контрольных и опытных растений существенно
не отличались. ИД зерна существенно зависит от его влажности, имея
минимальные значения при критической влажности. Это необходимо
учитывать при хранении зерна.
Азотное питание. Восстановление азота может происходить как в
корнях за счет энергии дыхания, так и в листьях на свету
преимущественно путем использования фотовосстановителей. Особенно
велики энергетические затраты корней, включающие наряду с
восстановлением нитратов также их поглощение. По данным Н. Сасакава
и Т. Лурье (1986), они составляют 2—3 г С/г N. Значительно выше
энергетические затраты на связывание атмосферного азота клубеньками
бобовых — 3—4 г С/г N. Пейт с сотрудниками (1979) показал, что
нодулированные (с клубеньками) корни сои перед началом активной
фиксации N использовали на дыхание 33 % ассимилятов, поступивших
в корни, а во время фиксации — до 50 % и выше. ИД клубеньков во много
раз выше, чем корней. Вследствие этого от 50 до 70 % дыхания корней с
клубеньками приходится на дыхание самих клубеньков, которое сильно
зависит от ИФ.
По данным австралийских ученых, ИД корней с клубеньками у
бобовых культур (соя, бобы и люпин) более чем в 2 раза, а количество
СОз, выделенное целым растением, на 11—13 % выше, чем у тех же
видов, выращенных на высоком азотном фоне. В результате в
углеводном балансе растений, растущих только за счет симбиотически
фиксированного азота, доля дыхательных затрат углерода выше, а
накопление биомассы меньше, чем при выращивании на высоком фоне
нитратного азота.
Растениям, использующим в качестве источника азота исключительно ионы аммония, для ассимиляции необходимо гораздо меньше
энергии дыхания, чем при выращивании на фиксированном или
нитратном азоте. Однако масса этих растений, как правило, не выше, чем
в последних вариантах. Это можно объяснить токсичным влиянием
избыточного количества аммония на метаболизм растения.
ИД тесно коррелирует с содержанием азота (белка) в тканях
вегетативных органов, особенно в области низких концентраций N
ОЛ1
(0,5—2,5 ммоль N/r сухой массы). При этом наблюдается постоянство
ИД в расчете на единицу массы азота в тканях [ммоль СОзДмоль N-c)J.
Подобный характер связи объясняется тем, что затраты на
функционирование белка, особенно ферментативного, достаточно
велики.
Возрастание ИД тканей по мере увеличения содержания белка в этом
диапазоне обусловлено также их высокой метаболической активностью,
в частности большей скоростью роста. При этом интенсивный рост
приводит к импорту дополнительного количества азотистых соединений
и соответственно к обороту большего количества белка,
сопровождаемому усиленной тратой дыхательной энергии.
При концентрациях N выше 2,5—3,0 ммоль N/r корреляция между
ИД и содержанием азота снижается. Это объясняется тем, что
значительная доля NO3, накапливаемая в запасных компарт- ментах,
активно не используется и, следовательно, не требует большого
количества энергии для своего поддержания. Поэтому ИД единицы
массы азота в тканях при этом значительно ниже, чем в диапазоне низких
концентраций азота. С увеличением содержания белка в тканях
возрастают коэффициенты дыхания как на рост, так и на поддержание.
Однако пропорциональность между содержанием белка и дыханием
поддержания сохраняется до тех пор, пока существует тесная
корреляция между содержанием белка и скоростью его оборота. Это
объясняется тем, что на обеспечение оборота белка затрачивается от 50
до 70 % энергии дыхания поддержания. Это особенно заметно в
загущенных посевах в условиях избытка азота, когда наблюдаются
дефицит углеводов и относительный избыток белков в листьях нижних
ярусов. С одной стороны, повышенное содержание белка увеличивает
затраты на дыхание поддержания, с другой — снижает ИД биомассы и,
как следствие, уменьшает ее адаптационные возможности. Это ухудшает
баланс углерода посева, снижает его устойчивость, в том числе к
полеганию, и в результате ограничивает продуктивность. Считается (И.
А. Куперман, Е. В. Хитрово, 1977), что дыхание определяется уровнем
азотного питания и оказывает прямое действие на продуктивность
посева, изменяя ЧПФ, и опосредованное, влияя на устойчивость посева
и Кхоз.
Посев интенсивного типа, способный эффективно использовать
высокие дозы азота, должен сочетать активное дыхание роста
плодоэлементов (для обеспечения их высоких приростов) со сниженным
суммарным дыханием. Для зерновых это могут
быть сорта, у которых нижние листья отмирают, как только их газообмен
опустится до компенсационной точки. Дело в том, что при их дыхании
могут использоваться предшественники веществ, с помощью которых
формируются клеточные стенки. Вследствие этого механические
свойства стебля ухудшаются и возникает опасность полегания растений.
Для кормовых культур, например кукурузы, чем больше белка
накапливает посев, тем выше дыхание поддержания и меньше ЧПФ.
Поэтому, накопив определенное количество белка, посев в дальнейшем
накапливает в основном углеводы, что снижает кормовую ценность
зеленой массы. Эта проблема решается путем периодического
скашивания культур. В этом случае выход белка с единицы площади
вследствие экономии дыхательного субстрата оказывается выше. Таким
образом, создание интенсивных посевов — это поиск оптимального
соотношения между ЧПФ, Кхоз, устойчивостью к полеганию и качеством
продукции. Дыхание оказывает влияние на каждый из этих элементов
через содержание белка в ткани.
,
Температура. Влияние температуры на ИД подчиняется правилу
Вант-Гоффа: с повышением температуры дыхательная активность
экспоненциально возрастает. Ускорение дыхания при повышении
температуры на 10 °C выражают посредством температурного
коэффициента (Сю):
1п(210=
12 — h R\
где Гг —Т\ — температурный интервал; Ri и R\ — соответствующие скорости дыхания.
Если Сю равен 1, температура не оказывает влияния на дыхание; при
Сю> равном 2, ИД при увеличении температуры на 10 °C удваивается.
Это типично для многих культур в физиологическом диапазоне действия
температур. При температурах ниже биологического минимума,
например меньше 8—10 °C у кукурузы, С10 скачкообразно возрастает, а
выше 35 °C — у большинства растений уменьшается до 1,5 и ниже. При
очень высоких температурах биохимические процессы протекают так
быстро, что снабжение субстратом и метаболитами не может поспевать
за обменом веществ и ИД быстро падает. Величина Сю непостоянна и
зависит от фазы развития растения (органа) и физиологического
состояния.
Холодо- и жаростойкость растений при прочих равных условиях
являются главными факторами, определяющими реакцию дыхания на
экстремальные температуры. Так, при выращивании проростков
пшеницы и кукурузы при 2 °C обнаружены более значительное
снижение ИД проростков кукурузы в сравнении с растениями,
выращиваемыми при 25 °C, и большее ингибирование роста, чем у
пшеницы. Относительно сильное торможение роста у кукурузы не
связано непосредственно с пониженным дыханием, а обусловлено
ингибированием транспорта ассимилятов. При выращивании этих
культур при повышенных температурах (выше 40 °C) ИД пшеницы
начинала снижаться, а у кукурузы все еще возрастала, хотя и
неэкспоненциально, при этом отмечены более низкие величины С10 у
корней, чем у побегов. Температурная зависимость ИД обусловлена
главным образом сильной зависимостью дыхания поддержания (Йо3 1,7
— 2,2), но не дыхания роста от температуры (если она неэкстремальна).
Это объясняется тем, что скорость ферментативных превращений и
оборота белка в значительной мере зависит от температуры.
Фотосинтез и дыхание, определяющие углеродный баланс и
соответственно продуктивность растения, как и другие процессы в
растении, характеризуются разной температурной зависимостью.
Например, суммарный, или гросс-фотосинтез, у многих культур сильно
тормозится при низких положительных температурах (минимум) и
температурах выше 40 °C (максимум) с оптимумом в диапазоне 20—35
°C. ИД при температуре ниже 20 °C, наоборот, снижается до очень
низких величин, а при более высоких температурах она сильно
возрастает, вплоть до компенсационной температуры, при которой
скорости гросс-фотосинте- за и дыхания уравниваются и, следовательно,
нетто-фотосинтез
равен
нулю.
В
результате
получается
колоколообразная кривая температурной зависимости неттофотосинтеза, идентичная таковой у роста.
Приведем температурные коэффициенты (Сю) некоторых физиологических процессов в растении в диапазоне температур 0— 30 °C
(по А. Фиттер, Р. Хей, 1981):
Процесс
610
1,2-1,5
Диффузия небольших молекул в воде
Транспорт воды через оболочку семени
плодов арахиса
Поступление воды в набухающие семена
Реакции гидролиза, катализируемые
ферментами
Дыхание
Фотосинтез:
световые реакции
темновые реакции
Поглощение калия
проростками кукурузы
1,3-1,6
1,5-1,8
1,5-2,3
2,0-2,6
-1,0
2-3
2-5
Характер влияния температуры на ИД зависит также от оводненности клетки. При низкой влажности ткани Сю значительно ниже,
чем при высокой. Именно поэтому зерно хранят при влажности не выше
12—14 %, что сводит к минимуму потери органического вещества, даже
при непостоянных и достаточно высоких температурах. Хранение
сочноплодной продукции, напротив, наиболее эффективно при низких
положительных температурах.
Концентрация СО2 и О2. По теоретическим расчетам Р. Джи- форда
(1982), удвоение содержания COj в воздухе может увеличить
урожайность сельскохозяйственных культур на 30—40 %. Это
объясняется повышением ИФ, содержания углеводов в листе, скорости
роста при одновременном снижении ИД. Ингибирующее влияние
повышенной концентрации СОг на дыхание наиболее заметно при
низком содержании углеводов в листе. Обогащение атмосферы СОг
влияет на дыхание не только надземных органов, но и корней, которое у
одних культур (пшеница) падает, а у других (подсолнечник) —
возрастает на фоне стимуляции накопления биомассы. Повышенная
концентрация СО2 ингибирует также дыхание плодоэлементов.
Этот принцип используют при длительном хранении плодов и
овощей в регулируемой газовой среде, где важную роль играет также
содержание Ог- При этом поглощение О2 заметно ингибируется в
области как очень высоких (100 %), так и низких (3 % и ниже)
концентраций кислорода. В последнем случае скорость выделения СО2
снижается гораздо меньше, чем поглощение О2, в результате чего ДК
возрастает, в тканях накапливается спирт. Подобное явление
наблюдается также при избыточном переувлажнении, затоплении,
выпревании посевов и образовании ледяной корки. В возникающих при
этом условиях анаэробиоза растения нередко сильно истощаются или
даже погибают из-за дефицита энергии, поскольку эффективность
дыхания резко снижена, а также в результате повреждения мембран
продуктами жизнедеятельности и недостатка промежуточных продуктов
цикла Кребса.
Дыхание больного растения. ИД обычно повышается в результате
инфицирования растения патогеном. Это может сочетаться с
нарушением сопряженного с окислением процесса фосфорилирования
из-за ингибирующего действия продуктов жизнедеятельности патогена,
а также с высокой долей анаэробного дыхания. В результате снижается
эффективность дыхания клеток растения-хозяина и усиливаются
гидролитические процессы, особенно у неиммунных сортов. Одной из
причин этого считают индуцируемое вирусом набухание митохондрий,
вследствие чего увеличиваются проницаемость мембран и выход АТФ
из митохондрий. Отмечено также отрицательное влияние патогена на
ферментативный аппарат, но оно не прямое, а опосредованное действием
метаболитов патогена.
У иммунных сортов, наоборот, инфекция индуцирует образование не
только специфических ферментативных белков, но также митохондрий
и рибосом. В результате этого растения способны противостоять
негативному влиянию токсина и сохранять, а нередко и повышать
эффективность запасания энергии дыхания. По мнению Б. А. Рубина с
сотрудниками (1974), в реакции иммунитета связаны воедино
следующие звенья: активирование дыхания и усиление процессов
окислительного фосфорилирования, использование дополнительной
энергии на синтез ферментативного и структурного белка, а последний,
в свою очередь, вызывает дальнейшую активацию дыхания.
Стимуляция дыхания обусловлена главным образом вкладом
дыхания самого растения и в меньшей мере — дыхания патогена. При
этом активность окислительного пентозофосфатного цикла пораженной
ткани возрастает в большей мере, чем скорость гликолиза. По данным С.
Фаррар и Н. Райне (1987), стимуляция дыхания листьев ячменя,
пораженных мучнистой росой, на 55 % была обусловлена увеличением
активности цитохромного пути и на 40 % — альтернативного пути. У
устойчивых к мучнистой росе сортов ячменя активности
альтернативного пути не обнаружено.
Значительный урон наряду с болезнями растениям наносят
вредители, что обусловлено как прямым поеданием биомассы, так и
существенной стимуляцией дыхания. Так, поражение листьев гороха,
сои, бобов тлями значительно усиливало дыхание и в меньшей мере
фотосинтез листьев, вследствие чего отношение дыхания к фотосинтезу
целого растения возрастало. Повышение дыхания листьев объясняется
возрастанием энергетических затрат на загрузку флоэмных окончаний,
компенсацией того количества сахарозы, что было потреблено тлями, а
также увеличением затрат на поддержание клеток пораженной ткани.
Инфицирование корней сои нематодами, не влияя на дыхание
стеблей и листьев, существенно стимулировало дыхание кбр- ней. При
этом рост всех органов растения подавлялся.
Усиление дыхания при поражении растений вредителями и
болезнями обусловлено преимущественно возрастанием дыхания на
поддержание. Последнее следует рассматривать не как следствие
снижения эффективности дыхания, а как «плату» растений за выживание
и успешную адаптацию к неблагоприятным условиям выращивания.
3.13. РОЛЬ ДЫХАНИЯ В УПРАВЛЕНИИ
ПРОДУКЦИОННЫМ ПРОЦЕССОМ
Большое значение длЯ исследования дыхания как фактора
продуктивности имело количественное разделение дыхания на две
составляющие: дыхание на рост и дыхание на поддержание.
Уровень современных знаний не позволяет ставить вопрос об
управлении дыханием роста с целью оптимизации дыхательных затрат
посева. Что касается дыхания поддержания, то не все
Рис. 66. Гросс-фотосинтез (АГ), дыхание поддержания (БВ), дыхание роста (ВГ) и неттофотосинтез (АБ) посевов ячменя (по Р. Biscoe, 1975) (Цифры над столбиками — суммарная
радиация за неделю, МДж/м .)
исследователи признают целесообразность снижения его интенсивности
с целью повышения продуктивности растений, хотя около 50 % всех
дыхательных затрат за перйод вегетации приходится именно на дыхание
поддержания (рис. 66).
Согласно Мак Кри (1987), уменьшение компоненты поддержания
было бы выгодно растению в том случае, если бы оно отражало
бесполезное, а не истинное дыхание поддержания, свойственное
растению в здоровом состоянии. Пенинг де Вриз (1989), напротив,
рассматривает снижение дыхания поддержания посредством
уменьшения скорости оборота белка как один из путей экономии
дыхательных затрат растения. Приведенные мнения представляют
крайние точки зрения по данному вопросу.
Во всяком случае, попытка регулировать дыхание поддержания
может вызвать неизбежные осложнения, привести к замене одних
растительных структур другими, поскольку величина дыхания активной
биомассы
положительно
коррелирует
с
устойчивостью
функционирования растительного организма. Если бы это даже удалось
сделать, то потребовалось бы увеличение внешних энергетических
затрат для создания дополнительных компенсирующих условий. Кроме
того, из-за уменьшения скорости оборота белка в листьях может
снизиться фотосинтез. Отсюда понятно, почему среди большого
разнообразия сортов и гибридов пока не удалось найти формы,
обладающие слабым дыханием поддержания, за исключением линий
райграса.
Однако в последнем случае биохимическая основа разницы в
скорости дыхания поддержания между линиями не ясна. Не известна
также природа генов, контролирующих эту разницу, и они в настоящее
время не являются предметом генетического улучшения. Поэтому
использование биотехнологических подходов для повышения
продуктивности
растений
путем
снижения
ИД
остается
проблематичным. Кроме того, при контролируемых генетических
манипуляциях с дыханием, и особенно с митохондриями, может быть
нарушен согласованный метаболизм в цитозоле, митохондриях и даже
хлоропластах. Отсутствие в современных программах по генной
инженерии задач по воздействию на дыхание подтверждает сложность
этой проблемы.
Среди аспектов проблемы продуктивности растений важное место
занимает оценка количественного соотношения дыхания и фотосинтеза.
Оптимальный баланс углерода является одним из критериев
приспособленности растений к условиям местообитания, поэтому
определение указанного соотношения дыхания и фотосинтеза широко
практикуется
в
эколого-физиологических
исследованиях.
В
благоприятных условиях ИД листа не превышает 5—15 % ИФ.
Определение соотношения дыхания и фотосинтеза целого растения на
протяжении жизненного цикла позволяет выявить основные
закономерности в продуцировании биомассы.
Поскольку интенсивность истинного фотосинтеза не может быть
измерена прямыми методами (из-за сложности разделения
фотосинтетического и дыхательного газообмена на свету), то гроссфотосинтез (Р9) обычно рассчитывают как сумму среднесуточного
прироста биомассы (ЛИО и дыхательных затрат (R). Отношение R/Pq
тесно связано с коэффициентом эффективности роста (КЭР),
показывающим долю продуктов фотосинтеза, пошедших на накопление
биомассы растений:
R/Pq = 1 - КЭР или КЭР =
.
Величина КЭР у разных культур (15 видов) варьирует от 0,3 до 0,8
(Amthor, 1989). Интересно отметить, что она ниже у культур,
накапливающих белки и липиды, по сравнению с теми, которые
запасают крахмал или другие углеводы. Как установлено, величина КЭР
заметно снижается в онтогенезе, что обусловлено увеличением доли
дыхания поддержания в общем дыхании растения.
Чем выше значение коэффициента дыхания на рост, тем ниже
эффективность превращения субстрата в структурную биомассу.
На основании данных о биохимических путях синтеза был рассчитан
выход основных соединений биомассы из единицы субстрата (глюкозы).
Этот показатель получил название продукционной величины (PV). По
смыслу она идентична коэффициенту истинной эффективности роста
(У„), но относится к синтезу отдельных веществ биомассы (табл. 13).
13. Значения продукционной величины для основных соединений биомассы
(Amthor, 1989)
Органическое соединение
Углеводы
Липиды
Лигнин
Органические кислоты
Органические азотсодержашие соединения
источник азота: NO3
ЫН4
г продукта г глюкозы
г С продукта г глюкозы
0,83
0,33
.0,46
" 1,10
0,92
0,63
0,80
- 0,40
0,62
0,54
0,82
—
Указанные значения PV можно использовать для подсчета
примерного количества субстрата, необходимого для синтеза биомассы
известного состава. По теоретическим расчетам из единицы субстрата
(углеводов) синтезируется примерно 0,75— 0,85 единицы вегетативной
массы. Экспериментальные значения для целых растений варьируют от
0,65 до 0,85.
По данным А. Танака (1968), культуры располагаются по эффективности роста в следующий ряд: рис > кукуруза = картофель =
сахарная свекла > пшеница > соя. Некоторые растения, например
картофель, накапливают в репродуктивный период значительное
количество запасных веществ в виде крахмала. Высокая эффективность
синтеза вещества клубней (У?=0,96), составляющих 60—80 % общей
биомассы, позволяет отнести картофель к наиболее экономичным
культурам. Величина Yq зависит также от химического состава
синтезируемой биомассы и от того, происходит ли восстановление
нитратов за счет фотосинтеза в листьях или этот процесс обеспечивается
за счет энергии окисления глюкозы. Чем выше содержание белка и
липидов в биомассе и чем больше глюкозы используется для
восстановления нитратов, тем ниже эффективность роста.
Эти данные можно также использовать для расчета дыхательных
затрат на формирование 1 г зерна любой культуры, зная его химический
состав. При превращении единицы ассимилятов (глюкозы) в биомассу
по крайней мере 25 % их затрачивается на
дыхание. На поддержание функциональной активности уже
сформировавшейся единицы биомассы ежесуточно требуется 1,5—4,0 %
ассимилятов. Если рассматривать приведенные данные с позиций
изложенных представлений, то у большинства исследованных растений,
у которых R/Pq равняется 45—50 %, дыхание на поддержание ниже или
равно дыханию роста. При соотношении больше 50 % доля дыхания
поддержания, по-види- мому, больше. Так, у клевера в период массового
цветения указанное соотношение достигало 70—80 %, при этом доля
дыхания на поддержание от общих дыхательных затрат за вегетацию
более чем вдвое превышала затраты ассимилятов на дыхание роста.
Количество СОг, выделившееся при синтезе единицы массы
разных органов растений (Penning de Vries, 1979)
Орган растений
г СОз/г сухой массы органа
Листья (25; 66,5; 2,5; 4,2)
0,33
Стебли (125; 74; 2,5; 8,2)
0,28
Семена бобов (35; 55; 5; 2; 3)
0,42
Зерна риса (5; 90; 2; 1; 2)
0,19
♦Цифры в скобках — содержание в % сухой массы соответственно азотистых
компонентов, углеводов, липидов, лигнина и минеральных веществ.
Заметное влияние на величину R/Pq оказывает температура. Так, у
растений клевера, выращиваемых при 12 и 24 °C, оно составило за
вегетацию соответственно 60 и 72 %. Общее количество образованных в
процессе фотосинтеза ассимилятов практически не различалось, но
конечная биомасса растений при 24 °C была несколько ниже за счет
более высоких затрат дыхательного субстрата. У ячменя R/Pq весной и
летом достигало 50 %, а зимой, в фитотроне, — только 35 %.
По мере обезвоживания растений интенсивность фотосинтеза, как
правило, начинает снижаться значительно раньше, чем дыхание. При
этом соотношение R/Pq может значительно увеличиваться, главным
образом за счет уменьшения нетто-продуктив- ности.
При избыточном азотном питании дыхательный газообмен
усиливается, чистая продуктивность фотосинтеза уменьшается. Так, при
внесении 180 кг азота на 1 га выход зерна озимой пшеницы повышался
на 78 %, а затраты на дыхание — в 3 раза. У сортов, способных к
усвоению высоких доз азота, дыхание изменяется меньше.
При сильном облучении (95—130 Вт/м2) у растений мятлика
величина R/Pq была почти вдвое больше, чем при слабом (25— 45 Вт/м2).
Длительность светового периода меньше влияла на эту величину, чем
уровень освещенности. Соотношение дыхания и фотосинтеза
практически не изменялось в диапазоне концентраций СОг 100—300
мкл/л, а при 1500 мкл/л уменьшалось.
Величина R/Pq у молодых растений, как правило, ниже (около 30 %),
чем у взрослых, что, по-видимому, объясняется, с одной стороны,
возрастанием доли гетеротрофных тканей в биомассе растений, а с
другой — постепенным снижением фотосинтетической активности
вследствие ценотического эффекта.
Таким образом, в углеродном балансе целого растения затраты
ассимилятов на дыхание в благоприятных для роста и развития условиях
составляют от 30 до 60 %, т. е. на накопление биомассы расходуется
лишь около половины ассимилированного углерода. Остальная часть
окисляется в процессе дыхания. Образовавшиеся при этом
энергетические эквиваленты и метаболиты используются в процессах,
связанных с образованием биомассы растения и поддержанием ее
структурной и функциональной целостности.
Контрольные вопросы и задания
1. Назовите агротехнический прием, использование которого может способствовать
накоплению биомассы кукурузы в период роста с прохладными ночами и низкой скоростью
дыхания. 2. Проанализируйте, исходя из представлений о роли дыхания в продукционном
процессе, две концепции: «низкое дыхание — высокая продуктивность» и «высокое дыхание
— высокая продуктивность». 3. В каких случаях оценка расходной статьи баланса углерода
растения на основании учета только выделения СОг может быть ошибочной? 4. Рассмотрите
возможные причинные связи между низкой скоростью дыхания поддержания, с одной
стороны, и недостаточной устойчивостью к действию неблагоприятных факторов среды и
низкой питательной ценностью зеленой массы — с другой. 5. Проследите пути биосинтеза
этилена из промежуточных продуктов дыхания. Какова роль этилена в климактерическом
подъеме дыхания и при хранении плодов и овощей? 6. Как можно использовать разную
температурную зависимость фотосинтеза и дыхания для эффективного выращивания
овощных культур в закрытом грунте? 7. На какие цели может быть использована энергия
трансмембранного потенциала митохондрий в растительной клетке? 8. Расположите
фотосинтез, дыхание и рост в порядке возрастания чувствительности к неблагоприятным
факторам среды. 9. Проанализируйте на основании анализа взаимосвязи фотосинтеза,
дыхания и роста возможные последствия внесения избыточных доз азота в загущенном
посеве. 10. В чем состоит прямое и косвенное воздействие химических регуляторов роста на
дыхание?
Глава 4
ВОДНЫЙ ОБМЕН РАСТЕНИЙ
4.1. ВОДА: СТРУКТУРА, СОСТОЯНИЕ
В БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ И ЗНАЧЕНИЕ
В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАСТИТЕЛЬНОГО ОРГАНИЗМА
В жизни растений, как и всех других организмов нашей планеты, воде
принадлежит исключительная роль. По справедливому утверждению А.
Сент-Дьёрди, все проявления жизни неразрывно связаны с водой. Жизнь
зародилась в воде, развилась в воде и возможна лишь при ее участии.
Вода является основным компонентом живого, составляя в среднем
80—90 % массы растения. Содержание воды зависит от типа и возраста
органов, их функционального состояния. Особенно богаты водой сочные
плоды (80—95 % сырой массы), молодые корни (70—90 %) и молодые
листья (80—90 %). Наиболее бедны водой зрелые семена. В воздушносухом состоянии они содержат 5—15 % воды. Активное проявление
жизнедеятельности без воды вообще невозможно. Высушенные семена
и споры находятся в состоянии анабиоза, когда метаболические
процессы сведены к минимуму и практически не улавливаются
доступными для измерения методами.
Сделана попытка определить пороговое содержание в тканях воды,
ниже которого растение уже не в состоянии поддерживать основные
физиологические функции, повреждается и погибает. Эта вода получила
название
гомеостатической.
Оказалось,
что
содержание
гомеостатической воды неодинаково у растений разных экологических
групп: у гигрофитов — 65—70 % сырой массы, мезофитов — 45—60,
ксерофитов — 25—27 %. Эти величины, тесно коррелирующие с
устойчивостью растений к обезвоживанию, весьма высоки. Возникает
вполне закономерный вопрос: зачем нужна вода растению в таком
большом количестве? Прежде всего необходимо отметить, что в
биохимических превращениях (фотосинтезе, дыхании, гидролитических
и других процессах) принимает участие не более 1 % содержащейся в
растении воды. Столь же широкое распространение и биологическая
роль воды во многом обусловлены строением и физикохимическими
свойствами этого замечательного природного соединения.
Структура и свойства воды. Вода может находиться в трех
агрегатных состояниях — газообразном, жидком и твердом. В каждом из
них структура воды неодинакова. Но в основе любой структурной
организации лежит молекулярное строение воды. Мо-
Рис. 67. Взаимодействие молекул воды с четырьмя
другими:
молекулы 1 и 2 находятся в плоскости чертежа; 3 — над плоскостью; 4 — под плоскостью
\
Нх(1) Н
9
н
I
о
лекула 'соды обладает большим дипольным
моментом за счет смещения электронов к кислороду
Ннн
и способностью образовывать водородные связи с (4
0(3) 0(2)
соседними молекулами (рис. 67). Водородная связь 7
н
осуществляется за счет электростатического
н
взаимодействия
по
донорно-акцепторному
механизму, ее энергия составляет 16—20 кДж/моль.
Эта величина вать динамичную, лабильную, но в топозволяет создаже время достаточно прочную надмолекулярную структуру: хН2О
(Н2О)х. Наименьший угол между отрезками, соединяющими молекулу
воды с ближайшими соседями, из-за направленного характера
водородных связей должен быть равен 104,5 °C, т. е. валентному углу
при атоме кислорода. Только при таком условии водородные связи могут
быть линейными. Отсюда следует, что конструкции из молекул воды
представляют не плотные упаковки шаров, а имеют форму тетраэдров,
для которых угол между связями центра с вершинами равен 109,2°.
Согласно современным представлениям, в основе надмолекулярной
организации воды лежит сочетание упорядоченной структуры с
размытым тепловым движением состоянием части молекул. В модели О.
Я. Самойлова (1957) основой упорядоченной решетки воды является
кристаллическая структура льда, в которой реализуются все четыре
возможности молекул воды образовывать водородные связи, за счет
этого формируется ажурная гексагональная решетка, пустоты которой в
2 раза превосходят размеры молекул воды (рис. 68). При плавлении льда
с повышением температуры кристаллическая решетка частично
разрушается, пустоты увеличиваются и заполняются молекулами воды,
находящимися на более близком расстоянии друг от друга. Эти плотно
упакованные молекулы имеют меньшее количество водородных связей
или вообще не имеют их.
Зарубежные авторы при описании структуры воды используют
гипотезу X. Франка и В. Вена (1957), впоследствии развитую Г. Немети
и X. Шерага (1962). Согласно этой гипотезе в воде имеются скопления
(рои) молекул, объединенных друг с другом водородными связями (рис.
69). Время жизни молекул в роях составляет 10 °—10 11 с. Затем
структура воды разрушается вследствие теплового движения и возникает
новая, с иным распределением роев. Отсюда названия «мерцающие
скопления», «текучие кластеры», «рои». Предполагается, что в
образовании
Рис. 68. Гексагональная структура льда (О. Я. Самойлов, 1957)
роев участвует до 2/з всех молекул воды, которые находятся в равновесии
с окружающими их молекулами.
Таким образом, обе группы гипотез предполагают возможность
существования двух структур воды: упорядоченной, обусловленной
большим количеством водородных связей (лвдопо- добная или
«мерцающие рои»); без правильной ориентации молекул (плотно
упакованные, мономерные молекулы). Различие моделей состоит в том,
что, по О. Я. Самойлову, плотно упакованная модификация заполняет
полость каркаса, тогда как, по
оч и
Рис. 69. Модель кластерной структуры жидкой воды (G. Nemethy, Н. A. Sche- raga,
1962)
X. Франку и В. Вену, мономерные молекулы находятся вне кластеров.
Пока еще нет убедительных данных, подтверждающих ту или иную
модель. Однако вполне определенно можно утверждать динамичность
структуры воды, под которой следует понимать пространственное
расположение
ее
молекул,
определяемое
межмолекулярным
взаимодействием и кооперативными свойствами системы.
Структурированностью объясняются уникальные физико-химические свойства, выделяющие воду среди жидкостей: сжатие при
плавлении, увеличение плотности с повышением температуры до 4 °C и
последующее уменьшение ее; понижение теплоемкости при повышении
температуры до 36 °C и последующее увеличение ее; высокие
температуры плавления и кипения. Установлены резкие изменения
свойств воды и происходящих в ней биологических процессов при
температурах 0, 15, 30, 45, 60 °C. Предполагается, что при этих
температурах происходит структурная перестройка воды. В середине
третьей фазы (между 30 и 45 °C) структура воды наиболее благоприятна
для гидратации органических молекул, в частности белка.
Роль свойств воды в биологических процессах и явлениях
I Свойства воды
Значение
Высокая теплоемкость и скрытая Поддержание теплового баланса растений теплота
парообразования
Высокое поверхностное натяжение Определяет передвижение воды по ка
пиллярам, обусловливает большое значение
поверхностных явлений в водных системах, в том
числе биологических
Высокая растворяющая способность
Структурированность, обусловленная водородными связями
Взаимодействие с биополимерами
Диссоциация на высокоактивные
ионы
2Н2О = ,НзО+ + ОН"
К= 10-й
Поглощает инфракрасную радиацию, сравнительно прозрачна для
видимой части спектра
Важна для корневого питания растений,
передвижения продуктов фотосинтеза,
транспорта О2 и СО2
Обусловливает аномальные свойства воды,
делает воду структурным компонентом
цитоплазмы, играет роль в процессах
анестезии
Влияет на конформацию биополимеров и
активность ферментов, определяет степень
устойчивости растения к неблагоприятным
условиям
Участвует в химических реакциях (фотосинтез, дыхание, гидролиз)
Обеспечивает способность водных растений
поглощать фотосинтетически активную
радиацию (ФАР), прозрачные клетки
эпидермиса наземных растений пропускают
ФАР к мезофиллу и в какой-то мере
предотвращают его перегрев
I Состояние и роль воды в растении. [Для функционирования живых
организмов важна не только их общая оводненность, но и состояние, в
котором находится содержащаяся в них вода, — ее концентрация,
энергетический уровень, подвижность, реакционная способность и т. д.
Состояние воды характеризуется ее структурой, соотношением
свободной (с неизмененными физикохимическими свойствами) и
связанной (с измененными физикохимическими свойствами вследствие
взаимодействия с неводными компонентами) воды. Ведь вода не может
сохранять в неизменном виде все свои свойства, находясь в такой
сложнейшей гетерогенной среде, как клетка, где неизбежны самые
разнообразные взаимодействия с ионами, молекулами других веществ,
где действуют векторные факторы внутриклеточных полей, вдоль
силовых линий которых могут ориентироваться диполи воды. Вода в
биологических объектах существует в таких условиях,
которые пока невозможно корректно и полностью воспроизвести вне
клеткиJ
•
С введением физических методов исследования: ядерного
магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамагнитного резонанса
(ЭПР),
диэлектрической
спектроскопии
(ДС),
инфракрасной
спектроскопии (ИКС) — появилась возможность характеризовать
состояние воды подвижностью ее молекул (трансляционной,
вращательно-колебательной), энергией и числом водородных связей.
Для лучшего представления рассмотрим разные уровни изменения
состояния воды в клетке.
Влияние ионов на состояние воды. При взаимодействии ионов с
молекулами воды происходит ориентация диполей воды в
электрическом поле иона. Исследованиями О. Я. Самойлова (1957) было
показано, что одни ионы понижают трансляционное движение воды,
другие, наоборот, его усиливают. В первом случае говорят о
положительной гидратации, во втором — об отрицательной.
Положительную гидратацию вызывают ионы Mg2+, Са2+, Li+, Na+, SO4 ,
отрицательную — ионы К+, Cs+, NH4, Cl-, г! NO3.
Катионы взаимодействуют с отрицательно заряженными атомами
кислорода молекул воды, тогда как анионы — с положительными
зарядами диполя воды. Электрические взаимодействия между ионами и
молекулами воды экранируют локальные электрические поля,
образуемые ионами, и позволяют им оставаться в растворе. Воду,
связанную ионами и низкомолекулярными соединениями, называют
осмотически связанной.
Уровень макромолекул. Взаимодействие высокополимерных
веществ с водой включает следующие способы: гидратацию ионизированных и полярных групп; стабилизацию структуры воды около
неполярных групп («гидрофобная гидратация»); иммобилизацию воды.
Гидратация ионизированных (—NHj, —COO-) и гетерополярных О
И
групп (-СООН, -он, -С-Н, >С = 0, > NH, -NH2, -CONH2, —SH) состоит в
электростатическом притяжении молекул воды. Между этими двумя
видами гидратации существуют только количественные различия.
Степень гидратации зависит от количества этих групп на поверхности
макромолекул, характера их расположения и соответствия структуре
воды.
Этим
определяется
связь
степени
гидратации
с
конформационными изменениями макромолекул. Гидратная вода
располагается около гидрофильных радикалов в виде сферы, состоящей
из нескольких слоев молекул. В основе полимолекулярной гидратации
лежит кооперативный характер образования водородных связей.
Определенная ориентация монослоя молекул воды около полярных
групп макромолекул создает благоприятные условия для возникновения
других водородных связей с соседними молекулами воды, вследствие
чего ее структура упрочняется в более широкой области. Данные ЯМР и
ЭПР показывают, что существуют 2—3 слоя воды с ограниченной
подвижностью около поверхности макромолекулы, помимо воды,
непосредственно взаимодействующей с полярными группами.
Различают две категории связанной воды: невращательно связанная —
монослой гидратной оболочки, где подвижность молекул по сравнению
с чистой водой снижена на 3—4 порядка; менее прочно связанная вода
двух следующих слоев молекул, где подвижность воды снижена на 2
порядка. Для сравнения отметим, что у льда подвижность воды снижена
на 6 порядков.
Количество гидратной воды у белков составляет около 0,3 г на 1 г
белка. В пересчете на молярные соотношения эта величина означает, что
одной молекулой белка связывается 850—1000 молекул воды, т. е. в
среднем менее 1 моль на аминокислотный остаток. На гидратацию
высокополимерных веществ большое влияние оказывает pH среды,
который предопределяет количество ионизированных групп. В
изоэлектрической точке степень гидратации будет наименьшей. Отнятие
у белков связанной воды сопровождается изменениями третичной
структуры макромолекул, определяющей индивидуальность и
функционирование белка. Более чувствительны к дегидратации белки с
высокоразвитой третичной структурой, т. е. ферменты и другие
активные белки мембран.
Взаимодействие гидрофобных групп белка, например остатков
аланина (—СНз), валина (—С3Н7), фенилаланина (—С7Н7), сопровождается ослаблением их взаимодействия с водой. Молекулы воды как
бы выталкиваются из той сферы, в которой возникает сближение
неполярных частей полипептидных цепочек, что также стабилизирует
структуру воды и называется гидрофобной гидратацией.
Особое положение занимает иммобилизованная макромолекулами
вода. Иммобилизация представляет собой механический захват воды при
конформационных изменениях макромолекул или их комплексов. При
этом вода оказывается заключенной в замкнутом пространстве внутри
макромолекулы
или
между
макромолекулами.
Количество
иммобилизованной воды не поддается точному учету. Считается, что
белки могут иммобилизовать воды в 30 раз больше, чем весят сами.
Уровень мембран. Возможности взаимодействия воды с неводными
компонентами расширяются при переходе к более сложным структурам.
Мембраны содержат 25—30 % воды, причем она связана не только с
белками, но и с полярными частями липоидов. Не вызывает сомнения
структурообразующая роль воды в формировании мембран, так как
строго ориентированные липоидные мицеллы образуются только в ее
присутствии в результате гидрофобных взаимодействий неполярных
частей молекул. Существует модель строения мембраны, где
поверхностный слой представлен структурированной водой (рис. 70).
При обезвоживании происходят изменение структуры мембраны, закрывание гидрофильных пор и снижение проницаемости.
[Клеточный уровень. Все сказанное ранее относится и к клетке в
целом. В зрелой растительной клетке можно выделить три основных
компартмента, различающихся по состоянию воды: клеточные стенки,
протоплазма, вакуоль. Клеточные стенки составляют около 13 %, объем
воды в них примерно 10 % объема ткани. Состояние воды в клеточных
стенках неодинаковое. Примерно третья часть ее гидратирует вещества
и имеет сниженную подвижность, остальная представляет воду с такой
же подвиж-
Рис. 70. Схема фрагментов оводненной (а) и обезвоженной (б) мембран:
1 — липидные компоненты мембраны; 2—интегральные белки; — структурированная вода; 4—
свободная вода; 5—гидрофильная пора
ностью молекул, как у обычной воды. Это наиболее лабильная,
легкообмениваемая вода клетки. Протоплазма занимает около 10 %
объема клетки, оводненность органелл составляет 65 %, гиалоплазмы —
95—98 %. На долю протопласта приходится около 8 % внутриклеточной
воды. Это в основном коллоидно связанная вода. Причем в ядре
содержится 20—30 %, в хлоропластах — 14—20, в митохондриях — 5—
7 % воды протоплазмы.
Автономность водообмена органелл клетки давно является установленным фактом. Убедительно показаны набухание митохондрий
при нарушении окислительного фосфорилирования, при снижении
оводненности клеток узлов кущения озимых во время второй фазы
закаливания, набухание хлоропластов при обезвоживании клеток листа.
Большая часть объема клетки (80— 90 %) занята вакуолью с клеточным
соком и представлена осмотически связанной водой.
Водоудерживающую способность, определяемую путем отнятия
воды осмотическими агентами, долгое время использовали в качестве
характеристики соотношения свободной и связанной воды в клетке.
Развитие мембранологии существенно изменило эти представления, так
как выявило значительное влияние проницаемости клеточных мембран
на водообмен. Установлено, что проницаемость мембран для воды
составляет 10-4 см/с, т. е. в 100 000 раз меньше скорости диффузии
молекул- воды через водный слой толщиной 7 нм.
Сопротивление движению воды зависит в значительной степени от
характеристики
липидного
бислоя,
конфигурации
белковых
компонентов. Для прохождения воды через мембрану значение имеют
также ее структурные переходы — жидкий кристалл= гель и деформация
липидной фракции мембраны. Известно, что мембраны в живых и
мертвых клетках существенно различаются по проницаемости для воды.
Мембраны живых клеток контролируют поток воды; при повреждении
эта функция нарушается, и проницаемость увеличивается.
В многочисленных опытах с мембраноактивными веществами (соли
свинца, пипольфен, нистатин, вазопрессин) показано увеличение
проницаемости клеток для воды. Пипольфен, вытесняя Са из
плазмалеммы, разрыхляет ее, увеличивая проницаемость как для воды,
так и для ионов. Нистатин индуцирует образование специфических
водных каналов. Вазопрессин (гормон гипофиза, регулирующий
деятельность мочевого пузыря) в растительных клетках так же, как и в
животных, в значительно большей степени увеличивает проницаемость
для воды, чем для ионов. Ингибирование АТФ-аз плазмалеммы
строфантином К снижает выход воды из клеток, т. е. водоудерживающая
способность зависит не столько от подвижности воды в клетке, сколько
от проницаемости мембран. Кроме того, на выход воды из клетки влияет
и ее иммобилизация макромолекулами. Следовательно, оставшуюся в
клетках после воздействия гипертонического раствора воду нельзя
считать «связанной» в. точном физическом смысле, т. е. водой,
взаимодействующей с неводными компонентами и вследствие этого
имеющей пониженную подвижность молекул. Тем не менее
водоудерживающую
способность
можно
использовать
как
физиологическую характеристику подвижности воды: ее способность
выходить за пределы определенных, разграниченных мембранами
компартментов, участвовать в физиологобиохимических процессах за
пределами этого пространства.
Обширный экспериментальный материал, накопленный к настоящему времени, свидетельствует о тесной связи между интенсивностью и направленностью физиологических процессов и
оводненностью растительных тканей. Убедительно показана зависимость активности ферментов дыхания, фотосинтеза, азотного и
фосфорного обмена от содержания и состояния воды. С оводненностью
тканей также связана устойчивость растений к различным
неблагоприятным факторам: морозу, жаре, засухе, засолению и т. д. А.
М. Алексеев (1969) ввел понятие о протоплазме как целостной системе,
структура которой определяется взаимодействием находящихся в ней
воды и белков. Эти компоненты протоплазмы взаимосвязаны и
взаимообусловлены, так что нарушение одного из них вызывает
нарушение структуры всей системы. Гидратная вода влияет на
активность белков-ферментов, состояние мембран, их устойчивость.
Несмотря на важную роль связанной воды, количество ее не так
велико. Согласно современным данным гидратная вода составляет
0,13—0,55 г/г сухого вещества, что не превышает 10— 15 % водного
запаса листа.
Уровень целостного растения. Вода в растении существует в форме
конституционной (химически связанной), гидратационной, резервной,
заполняющей водосборные полости в вакуолях и других клеточных
компартментах, и в форме интерстициальной, которая выполняет
транспортные функции в апопласте и проводящих путях.
Роль воды в растительном организме заключается в следующем. ।
1. Вода — структурообразователь протоплазмы. Макромолекулы
белков, нуклеиновых кислот, мембраны могут сохранять свою структуру
и функциональную активность только при наличии водородных связей с
водным матриксом. При повышении температуры водородные связи
рвутся и стабилизирующее действие воды на структуру протоплазмы
снижается. Поэтому жизнь может существовать в относительно узких
пределах температур.
2. Вода — растворитель разнообразных веществ, обеспечивает
транспорт минеральных, органических веществ и газов (СО2, О2) по
растению.
3. Вода — активный участник биохимических превращений.
Принимает участие в фотосинтезе, дыхании, гидролитических
процессах.
4.
Способствует стабилизации температуры растений.
5. Поддерживает тургесцентное состояние растений, что обеспечивает сохранение формы травянистых растений, определенную
ориентацию органов в пространстве.
6. Обеспечивает связь органов друг с другом. Пронизывая все тело
растения, вода создает в нем непрерывную фазу и осуществляет
координацию деятельности органов в целостном растении.
4.2.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ВОДООБМЕНА РАСТЕНИЙ
Введение в физиологию растений понятий термодинамики дало
возможность математически описать и объяснить причины,
вызывающие как водообмен клеток, так и транспорт воды в системе
почва — растение — атмосфера. Важнейшим термодинамическим
показателем состояния воды в системе является водный потенциал. Это
производная величина от двух других термодинамических показателей
— активности и химического потенциала воды.
Активность воды (Оц,). Характеризует ту эффективную (реальную)
концентрацию, соответственно которой вода участвует в различных
процессах. Всякие межмолекулярные и иные взаимодействия,
уменьшающие подвижность и рассеиваемость молекул (прежде всего
гидратация), снижают активность воды. Активность чистой воды равна
единице. В растворе и в клетке активность воды всегда меньше единицы.
Химический потенциал воды (ц,). Величина, производная от
активности. Она выражает максимальное количество внутренней
энергии молекул воды, которое может быть превращено в работу, имеет
размерность Дж-моль-1 и рассчитывается по уравнению
где р2 — химический потенциал чистой воды (принят равным нулю); R — газовая
постоянная; Т—абсолютная температура; aw — активность воды в системе.
Водный потенциал (у). Выражает способность воды в данной
системе совершить работу по сравнению с той работой, которую при
тех же условиях совершила бы чистая вода. Рассчитывается по
уравнению о И» — Ри- v = —,
где р» и pH — химические потенциалы воды в системе и чистой воды; Ук — парциальный
мольный объем воды (для чистой воды и разбавленных растворов принимают равным 18 см3моль-1).
Водный потенциал, являясь фактически мерой активности воды,
определяет термодинамически возможное направление ее транспорта.
Молекулы воды всегда перемещаются от более высокого водного
потенциала к более низкому, подобно тому как вода течет вниз, переходя
на все более низкий энергетический уровень. Когда система находится в
равновесии с чистой водой, у=0. В почве, растении, атмосфере
активность воды и способность совершать работу ниже, чем у чистой
воды, поэтому у обычно отрицателен. Водный потенциал имеет
размерность энергии, деленной на объем, что позволяет выражать его в
атмосферах, барах или паскалях (1 атм = 1,013 бар = 105 Па; 103 Па = 1
кПа, 106 па = 1 МПа).
Водный потенциал растения является алгебраической суммой
следующих четырех составляющих:
у = уя + уда + ур + yg, где — осмотический, —
матричный, — гидростатический, — гравитационный потенциалы.
Соотношение между ними и вклад в водный потенциал сильно
различаются в зависимости от объекта и окружающих условий.
Гравитационный потенциал (у5). Отражает влияние на активность
воды силы тяжести и заметно сказывается только при поднятии воды на
относительно большую высоту. Он составляет примерно 0,01 МПа-м *,
т. е. при перемещении воды вертикально вверх на 10 м гравитационный
вклад в водный потенциал составляет 0,1 МПа. Это незначительная
величина для сельско
хозяйственных растений, в том числе и плодовых культур, поэтому
обычно она не учитывается.
Рассмотрим боДее подробно, как складываются соотношения
водного потенциала и его основных составляющих.
Осмотический потенциал (уп). Компонент водного потенциала,
характеризующий снижение активности воды частицами растворенного
вещества. Поэтому осмотический потенциал всегда является величиной
отрицательной:
уп = —RTci,
где А —газовая постоянная; Г—абсолютная температура; с — концентрация раствора в
молях; /—изотонический коэффициент, равный 1+а(и—1), где а — степень электролитической
диссоциации; п — количество ионов, на которое распадается молекула электролита.
Для веществ, не диссоциирующих на ионы, а=0 и /=1. Степень
диссоциации электролита, как известно, зависит от концентрации
раствора, физиологическое значение имеют 0,1— 0,5 М растворы солей,
для которых i составляет 0,7—0,8.
С увеличением количества частиц растворенного вещества как за
счет повышения концентрации раствора, так и за счет диссоциации
веществ уменьшается активность воды и снижается осмотический
потенциал. При температуре 20 °C величина RT равна 2,44 МПа. Для 1
М раствора любого недиссоциирующего вещества осмотический
потенциал равен —2,44 МПа, для 0,5 и 2 М растворов соответственно —
1,22 и —4,88 МПа. Диссоциация растворенных веществ на ионы
усиливает депрессию осмотического потенциала. Осмотический
потенциал 0,5 М раствора KNO3 составляет —2,1 МПа (/—1,7), для 0,5
М раствора Са(ТЧОз)2 он равен
—2,9 МПа (/=2,4).
Когда раствор отделен от воды
полупроницаемой
мембраной
(рис. 71), которая пропускает
только
растворитель
и
непроницаема для растворенных
веществ,
возникает
односторонний ток воды по
градиенту ее активности в
направлении раствора. Этот
процесс называется осмосом, а
дополнительное
давление,
которое должно быть приложено
к
раствору,
чтобы
восРис. 71, Осмотическая система:
препятствовать одностороннему два компаргмента,
разделенные полупроницаемой
току воды, — осмотическим мембраной (У); 2—не проникающие через поры
частицы
растворенного
вещества;
3—
давлением (л).
проникающие частицы растворителя (воды);
стрелкой показано направление движения воды
Таким образом, осмотический
потенциал раствора, отделенного
полупроницаемой мембраной от чистого растворителя, реализуется в
равном по величине и обратном по знаку осмотическом давлении.
Растворы с одинаковым давлением называются изотоническими, между
ними нет направленного водообмена. Раствор, имеющий большее
осмотическое давление, называется гипертоническим, меньшее —
гипотоническим. При разделении полупроницаемой мембраной
транспорт воды идет по направлению к гипертоническому раствору.
Клетка, а также все органеллы, окруженные мембранами
(хлоропласты, митохондрии и др.), представляют собой осмотические
системы.
Поскольку
мембраны
обладают
избирательной
проницаемостью и вода проходит через них значительно легче, чем
растворенные вещества, допускают, что мембраны полупроницаемы, т.
е. проницаемы только для воды. Всю цитоплазму обычно рассматривают
как единый полупроницаемый барьер.
В зрелых растительных клетках главным «осмотическим пространством» является вакуоль. Именно клеточный сок, содержащий
растворенные в воде различные соли, сахара, органические кислоты,
аминокислоты и другие соединения, представляет собой осмотический
актив клетки. Суммарная .концентрация растворенных веществ в
клеточном соке варьирует от 0,2 до 0,8 М. Осмотический потенциал
клеточного сока измеряется сотнями и достигает тысяч кПа.
Растительные клетки отличаются от идеальных осмотических систем
тем, что мембраны в некоторой степени проницаемы и для растворенных
веществ. Это снижает осмотический градиент и возможность
поступления воды. Отличие от идеального поведения можно выразить с
помощью коэффициента селективности, или отражения (о). В случае
абсолютной селективности растворенное вещество «отражается» от
мембраны, т. е. совершенно не проникает через нее (<т=1). Если
мембрана в одинаковой степени проницаема и для воды, и для
растворенного вещества, о становится равным 0, осмотического
поступления воды нет. Коэффициент отражения зависит от свойств
мембран и природы веществ. Так, для корней кукурузы получены
следующие значения о: этанол 0,27, маннитол 0,74, сахароза 0,54,
полиэтиленгликоль 0,82, NaCl 0,64, KNO3 0,6, которые фактически
характеризуют эффективность мембранного барьера в поддержании осмотического градиента. В качестве осмотически активных веществ при
определении термодинамических параметров растительных тканей
необходимо использовать соединения со значением о, близким к 1,
например полиэтиленгликоль.
Матричный потенциал (vm)- Характеризует снижение активности
воды за счет гидратации коллоидных веществ и адсорбции на границе
раздела фаз. Матричное связывание воды сопровождается увеличением
объема и называется набуханием. В
протоплазме Преобладает набухание за счет гидратации белков,
нуклеиновых кислот, углеводов; в клеточной стенке наблюдаются
капиллярный эффект (вода между микрофибриллами и в
межмицеллярных пространствах) и гидратация полисахаридов, среди
которых по способности к набуханию выделяются пектиновые вещества,
содержащие диссоциированные карбоксильные группы.
Состояние набухания протоплазмы имеет решающее значение для
интенсивности и направленности обмена веществ. В некоторых частях
растений поглощение воды происходит исключительно путем
набухания, например у семян, меристематических тканей, клетки
которых еще не вакуолизированы. При набухании семян может
развиваться давление, измеряемое десятками МПа. Особенно сильной
способностью к набуханию отличаются семена бобовых культур с
высоким содержанием белков.
Между осмосом и набуханием существует аналогия. Осмотическое и
матричное связывание снижает активность воды; поэтому W и V/n всегда
меньше нуля. Чем более отрицательное значение они имеют, тем выше
способность клеток и тканей поглощать воду. Осмотическому давлению
л соответствует давление набухания т. Сухое набухающее тело обладает
потенциальным давлением набухания, которое так же, как и
потенциальное осмотическое давление, характеризует максимальную
способность поглощать воду.
Гидростатический потенциал, или потенциал давления (хуД
Компонент водного потенциала, обусловленный внутриклеточным
давлением. При погружении растительной ткани, имеющей зрелые
сильно вакуолизированные клетки, в гипотонический раствор
наблюдается эндоосмос. При отсутствии противодавления клеточной
стенки поступление воды в клетку определяется ее водным потенциалом
(\|/), в начальный момент времени равным осмотическому потенциалу
(ук) раствора, заполняющего вакуоль, вклад матричных сил очень
незначительный, и им можно пренебречь. Однако по мере поступления
воды в вакуоль ее объем увеличивается, цитоплазма прижимается к
клеточной стенке и возникает тургорное давление, а вместе с ним и
равное ему по величине противодавление стенки на клеточное
содержимое.
Таким образом, осмотическое поглощение воды ведет к созданию
гидростатического давления. Под давлением активность воды
возрастает, поэтому гидростатический потенциал имеет положительное
значение. При полном насыщении клетки водой (достижении
максимального тургора) положительный потенциал давления полностью
уравновешивает отрицательный осмотический потенциал и клетка
перестает поглощать воду. В таком состоянии ее водный потенциал
равен нулю.
В любой момент времени водный потенциал вакуолизированной
клетки определяется соотношением осмотического потен-
Рис. 72. Возможные уровни водного потенциала вакуолизированной клетки:
А — при завядании растений; Б — при частичном восстановлении тургесцентности; В — при полном
восстановлении тургора; Г — гидростатическое давление больше осмотического
циала и потенциала давления: у = уя + ур. При завядании растений
гидростатическое давление равно нулю, у = ур (рис. 72, А).
Восстановление тургесцентности сопровождается возникновением и
возрастанием гидростатического давления. Водный потенциал имеет
отрицательную величину, когда осмотический потенциал еще не
полностью реализован в гидростатическом давлении и клетка способна
поглощать воду (рис. 72, Б). Водный потенциал равен нулю, когда
потенциал давления полностью компенсирует осмотические силы (рис.
72, В). Величина будет положительной, если гидростатическое давление
превосходит эти силы (рис. 72, Г). Такая ситуация наблюдается в
клетках, прилегающих к сосудам ксилемы и подающих туда воду.
Необходимо' также обратить внимание на то, что в соседних клетках
соотношения осмотического и гидростатического потенциалов могут
быть разными. У клеток с более низким осмотическим потенциалом
возможен более высокий потенциал давления в результате большей
насыщенности водой. Поэтому ее водный потенциал окажется выше, чем
в соседней клетке, и транспорт воды осуществляется против
осмотического градиента. Этим растительные клетки существенно
отличаются от классического осмометра, где в результате
неограниченного увеличения объема нет гидростатического потенциала
и поступление воды идет только по осмотическому градиенту.
В клетках, которые поглощают воду в основном за счет матричных
сил, также возникает гидростатическое давление. Протоплазма не может
достичь состояния максимального набухания, так как гидростатическое
давление, которое проявляется вследствие обусловленного набуханием
притока воды, противодействует этому. Способность таких клеток
поглощать воду зависит от соотношения матричных сил и потенциала
давления: V = Vm + WpТаким образом, осмотический и матричный потенциалы определяют
максимальную поглотительную способность, реальная же возможность
поглощать воду в данный момент характеризуется водным потенциалом,
составляющим которого является гидростатический потенциал,
зависящий от степени насыщенности клеток водой.
4.3. ЗНАЧЕНИЕ ТРАНСПОРТА ВОДЫ И ПУТЬ ВОДНОГО
ТОКА В РАСТЕНИИ
Подавляющая часть мощного водного тока, непрерывно проходящего через растение, непосредственно в биохимических превращениях не участвует. В фотосинтезе, дыхании, гидролитических и
других реакциях используется не более 1 % поглощенной воды.
Согласно одному из основных положений общей биологии активное
проявление жизнедеятельности возможно только в водной среде,
которая должна постоянно циркулировать по организму. За счет
циркуляции вода доставляет клеткам необходимые для их
функционирования вещества и одновременно удаляет продукты
жизнедеятельности, в том числе токсические отбросы. Именно
благодаря такой циркуляции осуществляется взаимосвязь между
отдельными частями клеток, между отдельными клетками в пределах
ткани, между различными тканями в пределах органа, наконец, между
различными органами и тем самым обеспечиваются взаимосвязь
физиологических
процессов,
поддержание
гомеостаза
и
функционирование организма как единого целого.
Исходя из первостепенного значения для жизнедеятельности
растения транспортной функции воды необходимо учитывать
следующее. Во-первых, морфологическую и функциональную
взаимосвязь между восходящим и нисходящим водными токами,
образующими единую гидродинамическую систему. Во-вторых, участие
клеток в регуляции водного тока в растении нельзя сводить только к
пассивному движению по градиенту водного потенциала в системе почва
— растение — атмосфера благодаря непрерывности водной фазы в
растении.
Транспорт воды является важнейшей физиологической функцией, в
регулировании которой самое непосредственное участие принимают не
только внешние, но и главным образом внутренние факторы. Концевые
двигатели восходящего тока — нижний (корневое давление) и верхний
(присасывающее действие транспирации) взаимосвязаны, а также имеют
связь с другими процессами жизнедеятельности, что обеспечивается
сложной системой эндогенной регуляции.
Путь, который проходит вода в растении, можно разделить на две
физиологически различные части: по живым клеткам и по проводящей
системе.
Путь по живым клеткам измеряется в растении всего лишь
миллиметрами или долями миллиметра; это два коротких участка: один
представляет собой радиальный транспорт воды от поверхности корня
до сосудов, расположенных в центральном цилиндре, другой находится
в листе — от сосудов, проходящих по жилкам листа, до испаряющей
поверхности клеток мезофилла. Благодаря обильному ветвлению
ксилемы в листьях расстояние между окончаниями жилок достигает 50
мкм, т. е. практически каждая клетка (или по крайней мере через одну)
контактирует с проводящей системой.
В многочисленных опытах с разными видами растений показано, что
наибольшее сопротивление току жидкой воды в растении оказывают
корни. Так, у кукурузы, подсолнечника, томата сопротивление корней
превосходит сопротивление листьев в 1,5 раза, а стебля — в 4 раза. У
молодых деревьев яблони сопротивление корней составляет 60—75 %
общего сопротивления водному току.
Высокое сопротивление корней объясняется тем, что именно здесь
путь движения воды пересекают мембраны. Радиальный транспорт воды
в корне включает три системы: симпласт — совокупность протопластов
всех клеток, соединенных плазмо- десмами, апопласт, т. е.
взаимосвязанную систему клеточных стенок и межклетников, а также
дискретную систему вакуолей. Все они в большей или меньшей степени
связаны с преодолением мембран. Даже путь воды по апопласту
прерывается в эндодерме, где вода вынуждена проходить через живое
содержимое пропускных клеток, из-за гидрофобных отложений в
радиальных клеточных стенках, образующих пояски Каспари. Эта
необходимость переключения на симпластический путь имеет большое
значение, так как процесс передвижения по живой протоплазме может
регулироваться в отличие от передвижения по клеточным стенкам.
Следует отметить, что мертвые клетки обладают гораздо большей
проницаемостью для воды, чем живые. Так, энергия активации для
обмена тритиевой воды в мертвых клетках ткани корнеплода моркови
составляет 18,6 кДж/моль, что очень близко к самодиффузии воды, в
живых клетках — 42,8 кДж/моль. Тем не менее ни у кого не вызывает
сомнения, что для нормального водообмена растения клетки корня
должны оставаться живыми, их высокое сопротивление водному току
вполне оправданно. Высокое сопротивление мембран, обладающих
избирательной проницаемостью, позволяет корню контролировать ток
воды в растении.
Скорость движения воды в корне очень незначительна. Если по
ксилемным путям травянистых растений вода движется со скоростью 10
м/ч, древесных — 25 м/ч, то через корневую систему, размеры которой
во много тысяч раз больше, она проходит со скоростью 1 мм/ч.
Большая часть водного пути приходится на долю проводящей
системы растения, состоящей из сосудов и трахеид. У травянистых
растений ее длина измеряется сантиметрами, а у деревьев — метрами. В
опытах с меченым фосфором показано, что вещества, поглощенные
каким-либо участком корневой системы яблони, преимущественно
направляются в конкретную группу ветвей. Это часто наблюдается и при
нежелательных последствиях применения гербицидов. При их
локальной передозировке страдают вполне определенные ветви,
получающие воду из обработанных участков. На листьях этой части
кроны появляются типичные симптомы повреждения гербицидами,
тогда как остальные листья сохраняют зеленый цвет.
Установлено также, что вода и растворенные вещества могут
передвигаться в стебле и в поперечном направлении. Это происходит,
например, при подрезке корней или обрезке ветвей, в таком случае
растение в состоянии обеспечить водой и веществами те части
организма, которые раньше обслуживались утраченными органами.
Возможность радиального транспорта обусловлена самой структурой
проводящей системы, а именно: контактами сближающих трахеид через
поры. Так, у яблони некоторые сосуды соединяются в среднем один раз
на протяжении 5 см. У плодовых, характеризующихся рассеяннососудистой древесиной, в транспорте воды участвуют несколько (10 и
более) годичных колец. Только центральные (самые старые) годичные
кольца не включены в систему передвижения воды. В них запасаются
неорганические и органические вещества, часто — окрашенные
соединения.
Измерения водопроводящей системы показали, что у сильно
транспирирующих растений на каждый 1 г зеленых органов приходится
2—3 мм2 водопроводящей площади, у кустарников и травянистых
растений — от 1 до 2 мм2/г, у древесных пород — около 0,5 мм2/г.
Относительное проводящее сечение изменяется и А пределах одного
растения. У деревьев оно увеличивается снизу вверх так, что
верхушечные побеги оказываются в привилегированном положении. У
высокоинтенсивных спуровых типов плодовых культур масса дерева
редуцирована гораздо сильнее, чем диаметр ствола, поэтому они имеют
более благоприятные условия для транспорта воды из корней к
потребляющим органам.
4.4.
4.4.1.
ПОГЛОЩЕНИЕ ВОДЫ РАСТЕНИЕМ
ОСОБЕННОСТИ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ КАК ОРГАНА
ПОГЛОЩЕНИЯ ВОДЫ
Нормальный ход процессов жизнедеятельности в растении может
быть обеспечен только при поддержании относительного постоянства
оводненности тканей. Расход на транспирацию должен полностью
компенсироваться поступлением воды из возможно большего объема
почвы. За счет диффузии влага в почве передвигается крайне медленно:
не более чем на 1 см в сутки. Поэтому поглотительная деятельность
корня непосредственно связана с его ростовой функцией. В почве не вода
движется к корню, а корень должен устремляться за водой. Н. А.
Максимов (1952) очень образно об этом писал: «Корневая система
растений все время движется в почве вперед и вперед, словно огромная
стая роющих животных, обсасывая каждую встречную песчинку и
слизывая с нее, если можно так выразиться, тончайшие пленки воды,
которые ее одевают».
Это обстоятельство предопределяет специфическую организацию
корневой системы, которая имеет очень большие размеры и обладает
исключительной способностью к ветвлению. Общая поверхность корней
обьино превышает поверхность надземных органов в 140—150 раз. Уже
у однолетнего сеянца яблони формируется 5—7 порядков ветвления
корней общей протяженностью 250 м, а с корневыми волосками около 3
км. У взрослых деревьев корневая система измеряется десятками
километров, причем примерно половина ее представлена сосущими
корнями длиной до 5 мм. Плотность корней в пахотном слое,
достаточная для поглощения воды древесными и травянистыми
растениями, составляет 0,3—5 см на 1 см3 почвы. Для успешного
азотного питания требуется плотность 0,1—1 см на 1 см3 почвы.
Уникальная способность корней осваивать новые объемы почвы,
иссушив пространства, непосредственно прилегающие к ним, связана с
наличием большого количества точек роста (меристематические ткани
составляют 10 % массы корня, в стебле только 1 %), высокой скоростью
ростовых процессов (1—10 см в сутки) и положительным
гидротропизмом, т. е. способностью растущих частей изгибаться в
сторону более влажных участков почвы.
Необходимо также учитывать, что недостаток влаги в почве обычно
вызывает торможение роста надземных органов, рост же корней сначала
может даже ускоряться. Эта защитная реакция растения направлена на
добывание воды, но она приводит к нарушению пропорции между
надземной и корневой, системами, следствием чего может быть
снижение урожая.
Рассмотрим теперь особенности анатомического строения,
Рис. 73. Анатомическое строение корня:
/ — зона корневых волосков; II — зона растяжения; III—
зона меристемы; IV— корневой чехлик; 1 — центральный
цилиндр; 2 — корневые волоски; 3 — зрелые элементы
ксилемы; 4 — эндодерма с поясками Каспори; 5 —
первичная кора; 6 — ризо- дерма; 7 — незрелые элементы
ксилемы; 8 — эндодерма без поясков Каспори; 9—- зрелые
элементы флоэмы; 10— незрелые элементы флоэмы';
11 — перицикл
обеспечивающие
поглотительную
функцию корня (рис. 73). Известно, что
корень делится на четыре зоны:
деления
клеток,
растяжения,
всасывания, или корневых волосков, и
проводящую, или опробковения.
Зона деления клеток, защищенная
корневым чехликом, нуждается в
небольшом количестве воды. Клетки
этой зоны характеризуются крупными
ядрами, большой насыщенностью
цитоплазмой, отсутствием вакуолей,
первичным
строением
клеточных
стенок.
Их
водный
потенциал
определяется только матричными
силами, т. е. способностью к
набуханию коллоидов протоплазмы и
клеточных стенок (v = vm).
Интенсивное поглощение воды
начинается с зоны растяжения. Здесь
идет
усиленное
новообразование
белков цитоплазмы. Их содержание в пересчете на клетку возрастает в
1,5—2 раза, что увеличивает возможности матричного связывания воды.
Значительное увеличение объема клеток достигается за счет образования
крупной центральной вакуоли, которая служит резервуаром
осмотически активных веществ. Так появляется второй компонент
водного потенциала — осмотический. Одновременно с возрастанием
объема вакуоли наблюдаются размягчение и растяжение клеточных
стенок. Благодаря эластичности они не оказывают сопротивления
поглощению воды. Поэтому водный потенциал определяется суммой
матричного и осмотического потенциалов (V = V/и + Ул) и обеспечивает
колоссальную способность поглощать воду. Содержание воды в расчете
на клетку возрастает от (1—5)10 8 г в зоне деления до (6—35)10 8 г при
растяжении.
Зона корневых волосков является основной поглощающей зоной
корня, которая направляет воду в русло дальнего транспорта. Здесь на 1
мм2 находится 230—500 корневых волосков, что увеличивает активную
поверхность в 10—15 раз. Сильная вакуолизация клеток этой зоны,
высокая степень развития мембранных структур и упругость
закончивших формирование клеточных стенок обеспечивают надежные
механизмы осмотической регуляции транспорта воды, в которых наряду
с осмотическими силами большое значение имеет развиваемое
гидростатическое давление (v = Vn + Vp)Проводящая зона корня характеризуется опробковением покровных
тканей. Ее поглотительная функция заметно снижена, хотя показано, что
опробковевшие части корня также могут поглощать воду. Особое
значение это имеет после окончания вегетационного периода у
многолетних растений.
4.4.2.
ПОЧВА КАК СРЕДА ВОДОСНАБЖЕНИЯ РАСТЕНИЙ
Количество доступной растению воды зависит от состояния и
свойств почвы. Помимо прямого почва оказывает и косвенное влияние
на формирование корневой системы — глубину ее проникновения по
почвенному профилю, степень ветвления, анатомическую структуру,
особенности эпидермальной ткани корней.
Вода, поступившая в почву с атмосферными осадками, взаимодействует с твердой фазой почвы. В зависимости от условий
(количества воды, гранулометрического состава, химического состава
твердой фазы и структуры почвы) преобладает влияние тех или иных сил
взаимодействий молекул воды с твердой фазой. В связи с этим почвенная
вода находится в разном состоянии. В настоящее время выделяют
следующие фракции почвенной влаги: химически связанная
(конституционная и кристаллизационная), сорбированная (прочно- и
рыхлосвязанная), свободная (гравитационная и капиллярная),
парообразная и твердая (лед). Эти фракции почвенной влаги
различаются прочностью связи с твердой фазой почвы, а следовательно,
и доступностью для растений.
Химически связанная вода входит в состав вторичных минералов и
органических веществ почвы; она недоступна для растений.
Сорбированная
вода
делится
на
прочносвязанную
(гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную). Обе эти формы
воды облегают почвенные частицы и удерживаются на их поверхности
силами адсорбции. Гигроскопическая вода удерживается с силой 1000
МПа и более, поэтому она недоступна растениям. На поверхности
тонких гигроскопических слоев образуется пленка из адсорбированных
менее прочными силами молекул воды. Это дополнительно связанная
сорбционными силами вода носит название пленочной. Толщина водной
пленки может достигать десятков молекулярных диаметров воды. В
отличие от гигроскопической пленочная вода отличается, хотя и
небольшой, растворяющей способностью. В пленке происходит
постепенное нарастание концентрации растворенных веществ, начиная
от нуля у поверхности частиц (гигроскопическая влага) и постепенно
увеличиваясь до концентрации свободного раствора. Пленочная влага
частично доступна для растений.
Почвенный профиль характеризуется пористостью. Примерно
половина объема почвы является свободным пространством, которое в
период выпадения осадков или полива заполняется водой. Эта свободная
вода делится на капиллярную и гравитационную. Капиллярная вода
составляет ту часть доступной для растения влаги, которая находится в
верхней части почвы и удерживается силами, сравнительно легко
преодолеваемыми корнями. Явление подтягивания воды по капиллярам
используют в практике земледелия. В случае иссушения почвы на
глубине посева семян ее уплотняют специальными катками для восстановления разрушенных при посеве капилляров. Удерживаемая
капиллярная вода образует в почве внутриагрегатную капиллярную
подвешенную влагу. Гравитационная вода содержится в некапиллярных
пространствах, заполняя поры после дождя и полива. Она передвигается
под действием силы тяжести, легко стекает вниз, поэтому является
недолговременной формой легко доступной для растений воды.
Гравитационная вода находится в конкурентных отношениях с аэрацией
почвы, что негативно влияет на жизнедеятельность корневой системы,
особенно в бесструктурных почвах.
Парообразная вода представлена в почве в форме водяного пара,
передвигающегося по градиенту упругости или с током воздуха. При
определенных температуре и давлении может конденсироваться и
дополнять содержание в почве свободной или пленочной воды.
Твердая вода присутствует в почве при снижении температуры ниже
О °C, является резервом доступной влаги, которая образуется после
таяния льда.
Существуют различные показатели для определения доступной
растению почвенной влаги. При поступлении в сухую почву вода
вначале впитывается очень быстро. Затем скорость просачивания воды в
нижние горизонты становится все медленнее. Когда скорость
нисходящего движения воды оказывается резко сниженной, влажность
почвы достигает уровня, называемого полевой влагоемкостпъю.
Понятие «полевая влагоемкость» применяют для характеристики
максимальных размеров запаса почвенной влаги, который может быть
использован растением. Показателем минимального размера такого
запаса служит влажность устойчивого завядания. Влажность почвы,
при которой происходит устойчивое завядание различных растений,
варьирует незначительно. Под доступной для растения почвенной
влагой понимают то количество воды, которое накапливается в почве от
уровня влажности устойчивого завядания до полевой влагоемкости.
С термодинамической точки зрения факторами, определяющими
водные свойства почвы и доступность для растений почвенной влаги,
являются матричный потенциал (ут), который обусловлен связыванием
воды почвенными коллоидами и капиллярными силами, а также
осмотический потенциал (уп), величина которого особенно важна на
засоленных почвах и при внесении высоких доз удобрений: у = ут + уя.
Для сельскохозяйственных растений легкодоступна вода при
депрессии водного потенциала почвы около 500 кПа. Среднедоступной
считается вода при водном потенциале порядка —1000 кПа, а
труднодоступная — до —2000 кПа. Определение доступной почвенной
влаги имеет большое практическое значение для установления
сельскохозяйственной ценности почв, так как именно условия
водообеспечения
часто
являются
сельскохозяйственного производства.
4.4.3.
лимитирующим
фактором
КОРНЕВОЕ ДАВЛЕНИЕ, ЕГО ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ВНЕШНИХ
И ВНУТРЕННИХ УСЛОВИЙ
Корневая система не только поглощает подавляющее количество
потребляемой растением воды, но и подает воду в надземные органы.
Развиваемое при этом давление называется корневым. Оно легко
обнаруживается по вытеканию пасоки, или плачу, срезанных растений.
Для учета плача на оставшийся пенек с помощью резиновой трубки
укрепляют дугообразно изогнутый толстостенный капилляр и собирают
пасоку в градуированную пробирку. Плач может продолжаться в течение
нескольких суток после срезания стебля, и количество пасоки иногда
бывает очень большим. Например, у тыквы и огурца — до 1 л в сутки, у
винограда — несколько литров. Химический состав пасоки значительно
отличается от раствора, поглощаемого корнями из почвы, что связано с
синтетической и распределительной функцией корня. У травянистых
растений осмотический потенциал пасоки составляет примерно 100 кПа.
В пасоке в большом количестве содержатся минеральные вещества
(калий, фосфаты, нитраты), а также сахара, органические кислоты,
азотсодержащие соединения (низкомолекулярные полипептиды, амиды,
свободные аминокислоты, гормоны, витамины). Содержание веществ
значительно колеблется в зависимости от вида, возраста растения, его
физиологического состояния. Данные о плаче могут быть использованы
как для изучения природы корневого давления, его размеров и значения
в транспорте воды, так и для характеристики функциональной
активности корневой системы, ее активной поверхности, а также
водообеспеченности растения. Результаты анализа пасоки позволяют
решать вопросы, связанные с минеральным питанием и синтетической
деятельностью корня.
Другим проявлением нагнетающей деятельности корня является
гуттация, т. е. выделение капельно-жидкой влаги листьями в условиях
затрудненного испарения. Например, в ранние утренние часы при
насыщенности воздуха водяными парами хорошо гуттируют земляника,
роза, картофель, злаковые культуры. Капельки гуттационной жидкости
не спутаешь с росой, потому что они находятся в определенных местах
выхода гидатод. Причем гидатоды устроены так, что после фильтрации
через мелкоклеточную паренхиму — эпитему — здесь остается большая
часть растворенных веществ сока гуттации, которые потом используются для нужд растений. Обычно содержание веществ в соке гуттации в
8—10 раз меньше, чем в пасоке (табл. 14).
14. Состав соков плача и гуттации проростков кабачка (Д. Кларксон, 1978)
Анализируемый раствор
к+
Na+
Концентрация, мМ
Са2+
Гугтационная жидкость
0,5
. 0,7
0,9
Н2РО;
NO?
0,2
0,4
Пасока из листовых
черешков
Пасока из основания
стебля
Наружный раствор
26,2
0,6
8,0
0,5
12,9
12,8
0,3
5,1
0,2
7,1
0,5
0,2
0,15
0,01
1,0
В настоящее время разработаны методы, позволяющие измерить
силу, с которой вода подается корневой системой, — корневое давление.
Обычно для этой цели используют манометр, укрепленный на пеньке
декантированного растения. У древесных пород корневое давление
достигает 500—800 кПа, у винограда — 150—200, у травянистых
растений оно в пределах 100 кПа. Природа корневого давления во
многом остается невыясненной.
В изучении нагнетающей деятельности корня выдающееся место
занимают работы Д. А. Сабинина, идеи которого легли в основу
дальнейших исследований в этой области. Д. А. Сабинин (1949) исходил
из представлений об осмотической природе плача, сформулированных
Дж. Пристли (1922).. В их основу положено соображение, что корневые
волоски, находясь в непосредственном контакте с почвенным раствором,
полностью насыщены водой, их осмотический потенциал уравновешен
гидростатическим давлением и водный потенциал равен нулю (Vn = Vp>
V = 0).
Сосуды ксилемы, -лишенные протоплазмы, имеют самый низкий для
корня водный потенциал, равный осмотическому потенциалу
ксилемного сока (\|/ = уя). За счет этого происходит по- отупление сюда
воды из соседних клеток, в них возникает недостаток насыщения, что
компенсируется поглощением воды из окружающего раствора.
По этой схеме воду из почвы сосут не корневые волоски, а
находящийся в сосудах ксилемы раствор. Живым клеткам корня
отводится роль полупроницаемой перепонки между сосудами ксилемы и
почвенным раствором. В современном написании эта схема может быть
выражена следующим уравнением:
Jw = —
— Vrt),
где Jw — скорость объемного тока воды; L? — гидравлическая проводимость корня; —
осмотический потенциал ксилемного сока; у" — осмотический потенциал наружного
раствора.
Заслуга Д. А. Сабинина состоит в том, что он показал зависимость
корневого давления от метаболизма и прежде всего от дыхания. Большое
значение Д. А. Сабинин придавал энергозависимым полярным
свойствам живых клеток корня и их участию в транспорте воды. Он дал
следующее определение плача: это прижизненный односторонний ток
воды и питательных веществ, зависящий от аэробной переработки
ассимилятов.
Такое представление о корневом давлении сложилось к 50-м годам.
Дальнейшая же разработка состояла в выяснении вопроса, в чем состоит
связь корневого давления с метаболизмом корня. Сторонники
осмотической гипотезы плача полагают, что энергия дыхания
расходуется на поступление ионов. В результате поддерживается более
высокая концентрация солей в сосудах ксилемы по сравнению с
окружающим раствором, а вода поступает по градиенту осмотического
потенциала. Кажется, что все просто и логично. Однако эта схема
предусматривает остановку плача в условиях равенства осмотических
давлений окружающего раствора и пасоки, а также отсутствие плача и
даже выход воды из корня в том случае, если осмотическое давление
окружающего раствора выше, чем пасоки. Экспериментальная проверка
это не подтверждает.
В исследованиях, проводимых на кафедре физиологии растений
ТСХА и в лаборатории водного обмена Института физиологии растений,
показано, что осмотическое давление раствора полиэтиленгликоля,
останавливающего плач (компенсационное, равное корневому
давлению), примерно в 2 раза выше осмотического давления пасоки, т.
е. в компенсационном кроме осмотического есть еще и активное
давление. Изучение влияния химических воздействий на скорость и
движущую силу плача выявило большую лабильность и связь именно
этого компонента со скоростью плача (табл. 15).
15. Влияние химических воздействий на скорость и движущую силу плача (Л. В.
Можаева, Н. В. Пильщикова, 1979)
Давление, кПа
Вариант опыта
Контроль
Ю3 М раствор
аденина IO"4 М
раствор ДНФ
Скорость
плача, мл/ч
Доля активнего давления.
в компенсационном,
%
компенсационное
осмотичес кое
активное
0,8 i
1,21
16,6
19,6
8,0
5,4
8,6
14,2
51,8
72,5
0,44
15,4
12,2
3,2
20,8
Известно, что аденин и динитрофенол влияют на энергетический
обмен корня. Аденин стимулирует образование макроэрги- ческих
фосфатных связей и энергозависимые процессы. Дйнитро- фенол
является классическим разобщающим агентом. Под его действием
дыхание как бы переходит на холостой ход: идет окисление субстрата, а
энергия в АТФ не запасается. Двухчасовое воздействие этих веществ на
корни вызывает значительное изменение скорости плача. Аденин
стимулирует плач, а динитрофенол сильно подавляет его. Характеру
изменений скорости плача соответствуют изменения активного
давления. Значительное повышение осмотического давления пасоки под
действием динитрофенола не может предотвратить сильное подавление
плача.
Если перенести растения огурца, выращенные в водной культуре, на
более концентрированную питательную смесь, то происходит
повышение осмотического давления пасоки. Однако это довольно-таки
длительный процесс: требуется 3—5 дней, чтобы осмотическое давление
пасоки достигло осмотического давления окружающего раствора. Плач
же не прекращается, т. е. идет неосмотическим путем. Эти данные очень
легко воспроизводятся, и сам факт поглощения воды корнем в условиях,
когда осмотическое давление наружного раствора больше или равно
осмотическому давлению ксилемного сока, не вызывает сомнения. Невыясненным остается механизм процесса.
Высказано предположение и накоплены косвенные доказательства,
что активная подача воды в сосуды осуществляется клетками стелярной
паренхимы с участием сократительных белков, подобных актомиозину
мышц. Показано, что содержание актомиозиноподобных белков
составляет 0,002 % сырой массы корней и 0,48 % общего белка в корнях.
Это количество примерно на два порядка меньше, чем его содержание в
подушечках листьев мимозы, что согласуется с более высоким уровнем
подвижности, свойственным мимозе. Пульсирующий характер плача,
действие на плач камфоры, ацетилхолина, курареподоб- ных препаратов
и других веществ, влияющих на АТФ-азы и сократительные белки,
свидетельствуют о связи нагнетающей деятельности корня с
функционированием белков, подобных актомиозину мышц.
Возможно, что скелет цитоплазмы, образованный микротрубочками
и микрофиламентами, в состав которых входят сократительные белки,
обеспечивает перистальтическое движение и проталкивает воду из
живых клеток в сосуды корня. Другими словами, в клетках стелярной
паренхимы создается гидростатическое давление, большее по
абсолютной величине, чем осмотический потенциал, поэтому водный
потенциал становится положительным и клетки выталкивают воду.
Насколько верно предположение об участии сократительных белков в
создании
гидростатического
давления,
покажут
дальнейшие
исследования. Однако связь корневого давления с энергетикой дыхания
является прочно установленным фактом, который необходимо
учитывать при оптимизации условий корнеобитаемой среды для
нагнетающей деятельности корня.
Влияние внешних и внутренних факторов на корневое давление.
Зависимость корневого давления от энергии дыхания определяет
характер влияния факторов на поглотительную деятельность корня.
Газовый состав корнеобитаемой среды. Основной механизм
энергообеспечения деятельности корня — аэробное - дыхание, для
нормального протекания которого концентрация О2 должна быть не
ниже 5 %, а концентрация СО2 не превышать 10 %. Избыток СО2 гораздо
опаснее для нагнетающей деятельнос-_ тц корня, чем временный
дефицит кислорода. Сильное уплотнение почвы или ее затопление
вызывает нарушение аэрации, что приводит к подавлению дыхания и
поглощения воды. Случаи увядания растений при избытке влаги можно
наблюдать в пониженных местах сразу после сильного дождя, когда
ослабленное поглощение воды корнем не компенсирует ее расход на
транспирацию. О необходимости хорошей аэрации корневой системы
нужно помнить при подборе условий содержания почвы в сельскохозяйственных посевах и насаждениях, при выращивании растений в
водной культуре, разновидностью которой является гидропоника,
широко распространенная в защищенном грунте.
Температура.Зависимость поглощения воды корнем от температуры
выражается одновершинной кривой со следующими кардинальными
точками: min 0—5 °C, opt 25—30, max 40— 45 °C (рис. 74). Замедление
поглощения воды при снижении температуры объясняется торможением
дыхания и уменьшением гидравлической проводимости корня (Lp), что
связано с изменением свойств мембран й е возможностью фазового
перехода жидкого кристалла в гель в результате снижения подвижности
липидной фракции мембран. Температурный максимум обусловлен
денатурационными изменениями белков и приближается к.
температурной границе жизни. В интервале от 5 до
35 °C температурный коэффициент скорости плача находится в
пределах
2,0—2,5,
т.
е.
соответствует Qio для химических
реакций,
что
опятьтаки
свидетельствует о зависимости
плача
от
дыхания.
У
транспирирукяцих
растений
ведущим
является
верхний
концевой двигатель, в основе
которого
лежит
физический
Рис. 74. Влияние температуры на скопроцесс — испарение (Сю близко
рость «плача»
к единице).
Зависимость поглотительной
деятельности корня от температуры во многом объясняет некоторые
явления. Так, одна из главных причин образования отделительного слоя
в черешках листьев и осеннего листопада плодовых деревьев и
кустарников заключается в водном дефиците в результате
диспропорции между продолжающейся с высокой интенсивностью
транспирацией в солнечные осенние дни и сильным замедлением
поглощения воды из уже охлажденной почвы.
На холодных болотистых почвах наблюдается явление, получившее
название физиологической засухи: несмотря на большое количество
воды, растения испытывают ее недостаток из-за подавления
поглотительной деятельности корней при пониженных температурах. В
результате происходит парадоксальное на первый взгляд явление: у
растений формируются ксероморфная структура (мелкие клетки, много
устьиц и проводящих пучков на единице листовой поверхности), а также
такие анатомические приспособления для уменьшения потери воды, как
мощно развитая кутикула, заглубление устьиц, шиловидная форма
листьев, характерные для растений сухих мест, несмотря на то, что они
растут на почвах, богатых влагой. Таким образом, холодная почва
физиологически суха, даже если она насыщена водой.
Особенно болезненно реагируют на холодные почвы теплолюбивые
растения. Так, у фасоли, томата, огурца, тыквы поглощение воды
прекращается при температуре 5 °C. Бахчевые культуры еще более
требовательны к теплу. Высаживать или высевать их можно только в
хорошо прогретую почву; их нельзя поливать водой из родников и
колодцев. У растений, более выносливых к холоду, например у озимых
культур, земляники, низкие температуры в меньшей степени
задерживают поступление воды. Эти растения прекрасно растут и
развиваются поздней осенью и ранней весной.
Растения могут страдать не только от низкой, но и от высокой
температуры корнеобитаемой среды. Например, слишком высокая
температура верхних слоев почвы неблагоприятно сказывается на
поглощении воды плодовыми культурами с поверх ностной корневой
системой вследствие большого испарения влаги из почвы и повышения
ее водоудерживающих сил. В защищённом грунте при использовании
искусственных источников ~ света с большой теплоотдачей такие
ситуации очень часты.
Внутренние факторы. Из них в первую очередь необходимо отметить
мощность развития корневой системы и наличие ростовых процессов.
Поглощение воды происходит тем интенсивнее, чем больше
всасывающая поверхность корневой системы и чем легче корни и
почвенная влага приходят в соприкосновение друг с другом:
0Z— у|флочвы У корня
Согласно этой формуле количество воды W, поглощаемое корневой
системой в единицу времени, прямо пропорционально обменной
поверхности А в корнеобитаемом пространстве (активная поверхность
корней в единице объема почвы), а также разности водных потенциалов
корня и почвы и обратно пропорционально сумме сопротивлений
транспорту воды R в почве и при переходе из почвы в растение. Активная
поверхность корней у травянистых сельскохозяйственных растений
составляет примерно 1 см2/см3, а у древесных растений — 0,1 см2/см3.
Тесная корреляция между активной поверхностью корневой системы
и корневым давлением позволяет по количеству выделяемой пасоки
судить о степени развития и функциональной активности корневой
системы. Однако к концу вегетационного периода сбор пасоки сильно
затрудняется, поскольку поглощение воды резко ослабляется вместе с
затуханием ростовых процессов, так как корни должны постоянно
продвигаться из иссушенных слоев почвы к более влажным.
Зависимость корневого давления от дыхания обусловливает еще
одно важное внутреннее требование нагнетающей деятельности корня
— обеспечение корней органическими веществами. , Продукты
фотосинтеза (ассимиляты) поступают из надземной части в виде
углеводов и используются корнем в качестве дыхательных субстратов.
Для весеннего сокодвижения у плодовых культур очень важное значение
имеет запасание с осени углеводов в корнях и стволе. Если накоплено
недостаточно органических веществ или они израсходованы во время
неблагоприятной зимы (например, при оттепели), весеннее
сокодвижение может не начаться и растение погибнет. На мобилизацию
запасных веществ сильно влияет температура. Так, у винограда при
температуре почвы 8 °C наблюдается очень слабый плач, при 12 °C он
значительно усиливается. Этот температурный порог соответствует
мобилизации запасных углеводов виноградной лозы.
Для нагнетающей деятельности корня необходимо также
наличие
высокоструктурированных митохондрий в
корнях, обеспечивающих эффективное дыхание. Всякие
воздействия, приводящие к
деструкции митохондрий, нарушению дыхательных анj5
самблей, ингибированию отдельных звеньев дыхательной
Время после срезания повеерсут
цепи, подавляют поглощение
воды
корнем.
Например,
Рнс. 75. Суточный ритм плача
сильное ингибирующее действие на плач растений оказывают наркотические вещества (хлороформ, цианиды, азиды).
Немалую роль в жизнедеятельности корня играют внутренние,
наследственно закрепленные свойства. При изучении поглощения воды
корнем в течение суток оказалось, что днем выделяется значительно
большее количество пасоки, чем ночью, минимум плача наблюдается в
ранние утренние часы (рис. 75). Поскольку у опытных растений
отсутствовала надземная часть, которая воспринимает смену дня и ночи,
света и темноты, можно говорить об эндогенном ритме плача.
Эндогенными называются внутренние, наследственно обусловленные
ритмы, проявляющиеся при постоянных внешних условиях. Не только
поглощение воды корнем, но и ряд других функций, например
фотосинтез, минеральное питание, рост, также имеют ритмичность.
Существование эндогенных ритмов доказывает, что изменение
физиологических процессов во времени не пассивно следует за
изменениями условий внешней среды, а регулируется самим растением.
4.5.
ТРАНСПИРАЦИЯ И ЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ РАСТЕНИЕМ
4.5.1. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
И РАЗМЕРЫ ТРАНСПИРАЦИИ
В основе расходования воды растительным организмом лежит
физический процесс испарения — переход воды из жидкого состояния в
парообразное, происходящий в результате соприкосновения органов
растения с не насыщенной водой атмосферой. Расходование воды
растением
регулируется
целым
рядом
анатомических
и
физиологических механизмов. Термин «транспирация» введен для того,
чтобы подчеркнуть отличие этого физиологического процесса от чисто
физического испарения.
Рис. 76. Градиент водного потенциала в системе почва — растение — атмосфера
Биологическое значение транспирации состоит в терморегуляций
растения, в обеспечении деятельности верхнего концевого двигателя
водного тока, при помощи которого осуществляется и поступление
различных веществ, а также в регулировании насыщенности клеток
водой, благодаря чему создаются оптимальные условия для процессов
жизнедеятельности/
Одной из важных характеристик процесса является интенсивность
транспирации — количество воды, испаряемое растением с единицы
листовой поверхности в единицу времени. В некоторых случаях удобнее
проводить расчет не на единицу площади, а на единицу массы листьев.
Для большинства сельскохозяйственных растений интенсивность
транспирации составляет днем 15—250, а ночью 1—20 г/(м2 ч).
Высокая интенсивность транспирации, которую К. А. Тимирязев
называл «необходимым злом», обусловлена тем, что атмосфера
характеризуется очень низкими значениями водного потенциала (рис.
76). Водный потенциал связан логарифмической зависимостью с
относительной влажностью воздуха:
V = -1п—,
V ео
где Л —газовая постоянная; Т— абсолютная температура; И—парциальный мольный
объем; е — давление водяного пара в воздухе; ео — давление водяного пара, насыщающего
воздух при данной температуре.
Поэтому небольшой перепад относительной влажности приводит к
значительной депрессии его водного потенциала. Так, при
относительной влажности воздуха 100 % водный потенциал равен нулю,
при влажности 99,6 — 0,5 МПа, при 99 и 97 % он составляет
соответственно —1,36 и —4,0 МПа. Относительная влажность воздуха
летом наиболее часто не превышает 60 %, водный потенциал при этом
снижается до —68 МПа, а во время суховея (влажность 30 %) депрессия
водного потенциала достигает 200 МПа./
Кутикулярная транспирация. С самого начала существования
наземных растений возникла дилемма: ассимиляция СО2 из атмосферы
требует интенсивного газообмена; предотвращение значительной потери
воды возможно только при наличии хорошей изоляции от окружающего
воздуха, имеющего крайне низкие значения водного потенциала.
Главная проблема газообмена, как ее сформулировал О. Штоккер (1923),
состоит «в лавировании между жаждой и голодом».
Поддержание водного гомеостаза листа достигается наличием
покровной ткани — эпидермиса, представляющей слой довольно тесно
примыкающих друг к другу клеток, наружные стенки которых
утолщены. Снаружи эпидермис покрыт кутикулой, в состав которой
входит кутин — полимерные эфиры оксимонокарбоновых кислот,
содержащих по 16—28 атомов углерода и по 2—3 гидроксильные
группы. В состав кутикулы входят также пластинки воска. От
плазмалеммы эпидермальных клеток к кутикуле отходят канальцы,
заполненные рыхлой сетью из целлюлозных фибрилл. Они служат
полярными путями поглощения и экскреции веществ листом.
Кутикулярное диффузионное сопротивление в большинстве случаев
очень велико. Оно зависит от толщины кутикулы, расположения,
плотности и числа прослоек кутина и воска. На формировании
изолирующих структур на поверхности листьев в сильной степени
сказываются видовые особенности и возраст растений, а также условия
их произрастания. При атмосферной и почвенной засухе взрослые листья
обладают обычно более толстой кутикулой и более плотным восковым
налетом. Кутикулярная защита от транспирации весьма эффективна. У
взрослых листьев кутикулярная транспирация составляет 10—20 %
общего испарения воды. Например, у семечковых плодовых деревьев
она измеряется 120—160 мг/(дм2 ч).
У кутикулы есть уникальное свойство, обусловленное особен
ностями ее состава — изменять гидравлическую проводимость в
зависимости от оводненности. При подсыхании наружных слоев стенок
эпидермиса гидрофобные слои кутикулы плотнее придвигаются друг к
другу, поэтому кутикулярное сопротивление может удвоиться. При
низких температурах оно также возрастает. И, наоборот, при увеличении
оводненности эпидермиса кутикула набухает за счет гидратации
карбоксильных и оксигрупп, разрыхляется, кутикулярное сопротивление
диффузии значительно снижается и транспирация возрастает. Таким
образом, потеря воды через кутикулу регулируется оводненностью
листа. По ночам, например, при более сильном набухании кутикулы
кутикулярная транспирация идет интенсивнее, чем днем. Смоченные
листья могут поглощать воду через кутикулу.
Устьичная транспирация. Основной путь сообщения мезофилла
листа с атмосферой — устьица. Процесс устьичной транспирации можно
разделить на ряд этапов (рис. 77).
Первый этап — испарение воды с поверхности клеток в
межклетники. Каждая клетка мезофилла хотя бы одной своей стороной
граничит с межклеточным пространством. Поверхность всех клеточных
стенок, соприкасающихся с межклетниками, превышает поверхность
листа примерно в 10—30 раз. Необходимо отметить, что уже на этом
этапе растение способно регулировать транспирацию. Уменьшение
испарения воды в межклетники достигается по крайней мере двумя
механизмами. Первый обусловлен изменениями водоудерживающей
способности цитоплазмы путем увеличения осмотического и
коллоидного связывания воды, ее компартментации в отдельных
органеллах клетки и снижения проницаемости мембран. Второй
механизм связан с уменьшением оводненности клеточных стенок. Он
получил название механизма начинающегося подсыхания, или корневого
регулирования транспирации.
{При
снижении
подачи
воды
корнем
и
увеличении
водоудерживающей способности цитоплазмы
клеток
мезофилла
оболочки
клеток
оказываются менее насыщенными водой,
водные мениски в капиллярах между
фибриллами становятся вогнутыми, что
увеличивает силы поверхностного натяжения и
затрудняет переход воды в парообразное
состояние. Поэтому при открытых устьицах
происходит снижение транспирации за счет
уменьшения количества водяного пара в
межклетниках. Это внеустьичный _способ_
регулирования
транспирации,
который
представляет несомненную выгоду для
растения, так как позволяет снижать расход
воды без ущерба для ассимиляции углекислого
Рис. 77. Испарение и
диффузия водяного пара в
газа./У хлопчатника преобладает именно этот
листе
способ регулирования транспирации. У
растений умеренной зоны внеустьичное регулирование выражено в
меньшей степени: транспирация может быть снижена на 30 % без
закрывания устьиц. Возможности внеус- тьичного регулирования в
значительной степени зависят от условий выращивания и возраста
растений. Например, оптимизация минерального питания увеличивает
водоудерживающую способность тканей, при старении листьев она
снижается??
Второй этап — выход паров воды из межклетников через устьичные
щели. Число устьиц и их размещение сильно варьируют у разных видов
растений. У ксерофитов — растений засушливых мест обитания — на
единицу площади обычно приходится меньшее количество устьиц, чем
у мезофитов. Кроме того, устьица у них часто углублены в сильно
кутинизированную поверхность листьев, что уменьшает потерю воды. У
большинства сельскохозяйственных культур устьица в основном
расположены с нижней стороны листа (табл. 16). Это одно из
приспособлений для меньшей затраты воды.
16. Количество устьиц у сельскохозяйственных культур, шт/см2
Культура
Яблоня Вишня Капуста
Картофель Томат Кукуруза
Эпидермис верхний |
нижний
0
0
14000
5000
1200
9300
40000
25000
22000
16000
14000
7700
Обычно устьица занимают 1—3 % всей поверхности листа. Однако
относительная транспирация, под которой понимают отношение
испарения воды листом к испарению с такой же по величине свободной
поверхности, составляет 0,5—0,8 и может приближаться к единице./
Высокая скорость диффузии через устьица объясняется тем? что
испарение из ряда мелких отверстий происходит быстрее, чем из одного
крупного той же площади. Это связано с явлением повышенной краевой
диффузии.
Согласно закону Й. Стефана испарение с малых поверхностей,
отстоящих друг от друга на 10-кратное расстояние, идет
пропорционально не их площади, а диаметру. При открытых устьицах
испарение может быть таким же, как с открытой водной поверхности.
Закрывание устьиц наполовину еще мало сказывается на интенсивности
транспирации. Полное закрывание устьиц сокращает транспирацию
примерно на 90 %. Для более точного определения эффективности
закрывания устьиц (например, для эколого-физиологической
характеристики тех или иных сортов растений или характеристики их
адаптации) лучше сравнивать диффузионные сопротивления при
максимально открытых и полностью закрытых устьицах, а не
транспирационные . показатели, зависящие от испарения. При этом
оказывается, что максимальное диффузионное сопротивление листьев
(когда устьица закрыты) у лиственных деревьев в 30—45 раз больше, чем
минимальное (когда устьица открыты), у травянистых двудольных
растений диффузионное сопротивление листьев увеличивается при
закрытии устьиц в 10—15 раз, у злаков — в 5—15 раз. Таким образом,
изменение степени открытости устьиц — устьичная регулировка —
является основным механизмом контроля транспирации растением.
Третий этап транспирации — диффузия паров воды от поверхности
листа в более далекие слои атмосферы. Этот этап регулируется лишь
условиями внешней среды: температурой, влажностью воздуха,
скоростью ветра.
4.5.2.
ФИЗИОЛОГИЯ УСТЬИЧНЫХ ДВИЖЕНИЙ
Степень раскрытия устьиц зависит от интенсивности света,
оводненности тканей листа, концентрации СОз в межклетниках,
температуры воздуха и других факторов. В зависимости от фактора,
запускающего двигательный механизм (свет или начинающийся водный
дефицит в тканях листа), различают фото- и гидроактивное движение
устьиц. Существует также гидропассивное движение, вызванное
изменением оводненности клеток эпидермиса и не затрагивающее
метаболизм замыкающих клеток. Например, глубокий водный дефицит
может вызвать подвядание листа, эпидермальные клетки при этом,
уменьшаясь в размерах, растягивают замыкающие клетки, и устьица
открываются. Или, наоборот, сразу после дождя эпидермальные клетки
настолько разбухают от воды, что сдавливают замыкающие клетки, и
устьица закрываются. Иными словами, гидропассивное движение способно вести к ответам в «ложном» направлении. Целесообразная реакция
растений на изменение условий достигается активными механизмами
регулирования ширины устьичных щелей.
Замыкающие клетки имеют сложную вакуолярную систему, крупное
ядро и большое количество высокоструктурированных митохондрий.
Хлоропласты обычно содержат зерна крахмала и характеризуются
слабым развитием гран. Особенностью замыкающих клеток является
наличие крупных перфораций в основании общих стенок. Это
обеспечивает связь протопластов сестринских замыкающих клеток и их
функционирование как единого целого.
Хотя у представителей разных видов растений замыкающие клетки
отличаются характерными чертами строения, все они имеют сходство в
том, что стенки, удаленные от устьичной щели, тоньше и поэтому более
эластичные. Считается, что эта особенность имеет прямое отношение к
способности замыкающих клеток изменять форму в ответ на изменение
тургора и контролировать таким образом величину устьичного
отверстия.
Существенный вклад в физический механизм устьичного открывания
вносит также радиальное расположение микрофибрилл целлюлозы в
стенках замыкающих клеток. Возможная роль радиальной мицелляции в
движении замыкающих клеток установлена с помощью электронной
микроскопии и специально сконструированных моделей. Модели
состоят из эластичных латексных цилиндров, соединенных в пары
своими концами и укрепленных для жесткости витками тесьмы,
расположенными радиально. При увеличении давления радиальные
витки смещаются к концам цилиндров, некоторые из них ориентируются
вдоль вентральной стенки. Это обеспечивает изменение формы
замыкающих клеток и открывание щели.
Что лежит в основе изменения тургора замыкающих клеток? Долгое
время для объяснения этого явления использовали «сахарную гипотезу»,
согласно которой осмотическое перераспределение воды связано с
обратимыми превращениями в системе крахмал ===== сахар. Эти
превращения
катализируются
ферментом
фосфорилазой,
направленность действия которой зависит от pH. На свету происходит
поглощение СО2, повышение pH, реакция идет в сторону накопления
осмотически активных сахаров, что вызывает поступление воды в
замыкающие клетки и открывание устьиц. Малая интенсивность света
обусловливает снижение фотосинтеза и накопление СО2 в
межклетниках, что приводит к снижению pH, синтезу крахмала, выходу
воды из замыкающих клеток и закрыванию устьиц. Однако изучение
метаболизма замыкающих клеток и устьичных движений с помощью
современных биохимических и биофизических методов выявило более
сложную природу этого явления.
В настоящее время общепризнанной стала гипотеза, связывающая
устьичные движения с перераспределением ионов калия между
замыкающими и сопутствующими клетками, вслед за которыми
перемещается вода. Эта идея, высказанная еще в 1943 г., принадлежит
японским исследователям. Однако только в последние два десятилетия,
когда широкое распространение получила микроэлектродная техника,
появилась возможность измерить активность ионов калия в отдельных
клетках и были получены экспериментальные доказательства участия
перераспределения калия в движении устьиц более чем у 50 видов
растений, включая папоротники и голосеменные. Известно также, что
этот механизм используют толстянковые для ночного открывания устьиц. На рисунке 78 представлены данные, иллюстрирующие
участие калия в устьичных движениях.
Для клеток устьичного комплекса
характерны более высокие значения
активности К+, чем для окружающего
эпидермиса. Закрытое и открытое
состояния устьиц связаны с различной
активностью К+ в замыкающих и
сопутствующих клетках. Объемы этих
клеток
также
изменяются:
объем
№±35
2Э5&7
замыкающих клеток при открывании
98±П
устьиц увеличивается примерно в 2,5 раза,
-75 ±9
размеры сопутствующих уменьшаются.
Поэтому абсолютное содержание калия
169±2i
должно
изменяться
еще
более
б
значительно, чем активность.
Согласно современным представРис. 78. Активность К в клетках лениям открывание устьиц индуцируется
устьичного комплекса Commelina
+
communis при закрытых (а) и усилением выхода Н из замыкающих
клеток.
Этот
процесс
обеспечивается
открытых (б) устьицах (А. Реппу,
W. Bowling, 1974)
деятельностью
протонной
помпы
плазмалеммы замыкающих клеток в ответ
на те или иные изменения внутренних и
внешних условий. Например, освещение
растений, находящихся до этого в темноте, включает протонную помпу,
откачивающую Н+ из замыкающих клеток. Это активный процесс,
сопровождающийся затратой метаболической энергии. Особенности
ультраструктуры митохондрий и хлоропластов замыкающих клеток свидетельствуют о том, что поставщиком АТФ является дыхание. Выход Н+
сопровождается поступлением ионов К+ в вакуоли замыкающих клеток,
которое идет по электрическому градиенту путем облегченной
диффузии с переносчиком. Транспорт К+ в вакуоль уравновешивается
входом в нее двух типов анионов: иона С1 , компенсирующий эффект
которого у разных видов растений составляет 5—100 % (например, у
кукурузы 40 %), и анионов малата. Хлор транспортируется в
замыкающие клетки путем электронейтрального симпорта. Малат же
образуется в самих замыкающих клетках. Уменьшение кислотности
цитоплазмы до 7,2 и более в результате выхода Н+ приводит к
следующей цепи биохимических превращений:
., гидролиз
окисление .
.
+ СО,
Крахмал ------ — ----- ► глюкоза ----------------- »- фосфоенолпиро- -------------виноградная кислота
+ СО2
(НАДФ-Н шавелевоуксусная
кислота
кислота
♦
{—*- яблочная
.
НАДФ
Яблочная кислота обеспечивает замыкающие клетки протонами Н+
для обмена на К+ и анионами малата для баланса заряда в вакуоли.
Показано, что наибольшей чувствительностью к pH в этой цепи реакций
обладает фермент ФБП-карбоксилаза.
Увеличение в вакуолях замыкающих клеток содержания осмотически активных веществ (К+, С1 , малата) приводит к усилению
поступления воды в вакуоли, повышению тургора и открыванию устьиц.
Рассмотренные процессы могут быть представлены в виде следующей
схемы:
Свет
I
включение протонной помпы
+
(выход Н из замыкающих клеток)
I
+1транспорт К и С1
повышение pH
у
в замыкающие клетки
|образование малата
I
.
снижение осмотического потенциала замыкающих клеток
I
I
открывание устьиц
поступление воды в замыкающие клетки
Последовательность событий при закрывании устьиц носит обратный характер. Отключение протонной помпы приводит к выходу К+
и С1_ из замыкающих клеток в сопутствующие и ресинтезу крахмала в
результате глюконеогенеза. Осмотический потенциал замыкающих
клеток при движении устьиц у разных видов растений изменяется
неодинаково. Открытому состоянию устьиц соответствует осмотический
потенциал в среднем —4,0 МПа, при закрывании устьиц он возрастает
на 0,3—1,8 МПа.
Другим важным фактором, регулирующим устьичные движения,
является оводненность листьев. Причем закрывание устьиц происходит
уже на ранних стадиях водного дефицита. В этом процессе принимает
участие фитогормон — абсцизовая кислота (АБК), одной из функций
которой является защита растения от иссушения. Продемонстрировано
это было на завядающем мутанте томата, полученном случайно в опытах
с рентгеновским облучением семян. Мутант отличается тем, что быстро
завядает при самом небольшом недостатке воды, потому что устьица у
него всегда открыты. Обнаружилось, что у этого мутанта по сравнению
с родительским сортом в 10 раз понижено содержание АБК. При его
обработке абсцизовой кислотой быстрее закрывались устьица и
восстанавливался тургор. Позже выяснилось, что обработка АБК может
вызвать закрывание устьиц и у других растений. Показано, что в
плазмалемме замыкающих клеток находятся специфические белки
связывания (сайты) абсцизовой кислоты. Их взаимодействие приводит к
структурным изменениям мембраны и ингибированию деятельности
протонной помпы. Для усиления синтеза АБК достаточно снижения
водного потенциала на 200 кПа, что еще не выражается в видимом
завядании, но приводит к закрыванию устьиц. При нанесении АБК на
основание листа устьица закрываются в течение 3— 9 мин, после ее
удаления открывание происходит через 15 мин.
В регуляции закрывания устьиц может участвовать диоксид
углерода. Избыток COj вызывает закрывание устьиц, по-видимо- му, изза подкисления цитоплазмы, в результате которого уменьшается
количество малата и накапливается крахмал. Эта реакция проходит
очень быстро. Например, устьица кукурузы при избытке СОг в
межклетниках закрываются за 3 с.
Решающее влияние концентрации СО2 на степень открытости устьиц
обнаруживается у суккулентов, обладающих специфическим суточным
ритмом обмена органических кислот. Эти растения открывают устьица
ночью, когда парциальное давление СО2 в межклетниках листьев
снижается вследствие интенсивного образования малата, а закрывают
устьица, когда при декарбоксилировании малата днем высвобождается
СО2, который накапливается в межклетниках перед дальнейшим
использованием.
В регуляции функционирования устьиц (рис. 79) взаимодействуют
прямые и обратные связи. Одна из них (2) предотвращает недостатрк
СО2, который может быть вызван фотосинтезом. Если межклеточная
концентрация СО2 снижается до уровня, недостаточного для
фотосинтеза, это служит сигналом обратной связи и устьица
открываются для обмена СО2 с внешней средой. Другой тип связей (3)
реагирует на содержание воды в листьях: при снижении содержания
воды в тканях устьица закрываются. В результате деятельности этих
двух типов обратных связей обычно наблюдаются небольшие
осцилляции открытости устьиц. Однако одни обратные связи по СО2 (/,
2) и Н2О (3) не оптимизируют газовый обмен листа. Оптимизация
достигается деятельностью прямой связи — прямого действия света (5),
влажности и ветра (6) и положительной обратной связи фотосинтеза (4)
и водного режима эпидермальных клеток и (или) клеток мезофилла (7).
Важным механизмом функционирования отрицательной обратной связи
(5) является синтез АБК. Ряд продуктов фотосинтеза в клетках
мезофилла (и в устьичных клетках) может контролировать движения
устьиц по механизму положительной обратной связи (4).
Таким образом, устьица очень чутко реагируют на внешние условия
и физиологические изменения в тканях листа. В резуль-
Рис. 79. Схема регуляции работы устьичного аппарата (по С. Willmer, 1983)
Рис. 80. Дневной ход транспирации при
различной влагообеспеченности растений
(В. Лархер, 1978, с изменениями): А —
испарение со свободной водной поверхности; Ё —
транспирация
при
достаточной
влагообеспеченности; В—при недостатке влаги в
полдень; Г — при глубоком водном дефиците; Д —
во в|)емя летней засухи
тате
этого
интенсивность
транспирации может быстро
изменяться, приспосабливаясь к
складывающимся условиям.
Во
влажные
дни
ход
устьичных движений следует за изменением солнечной инсоляции, в
этом случае кривая транспирации (рис. 80, Б) в течение дня подобна
кривой испарения со свободной водной поверхности (рис. 80, А).
Летом при максимальной инсоляции в середине дня может
развиваться полуденный водный дефицит. В зависимости от его
величины и продолжительности наступают частичное (рис. 80, В) или
полное (рис. 80, Г) гидроактивное смыкание устьиц и депрессия
транспирации: сглаживание пика или даже провал в полуденные часы.
Закрывание устьиц в полуденное время частично объясняется также
высокой концентрацией СОз в межклетниках, характерной для этого
времени суток. Уровень СО2 в листе зависит от соотношения
интенсивности дыхания и фотосинтеза, а скоррсть дыхания с
повышением температуры растет в большей степени, чем фотосинтез.
Причем полуденное снижение транспирации наступает не
одновременно во всех частях кроны, а в определенном порядке:
раньше и сильнее оно проявляется в затененных участках кроны,
затем в ее основании, а позднее всего — в верхушечных листьях. В
соответствии с этим снижение водного потенциала в освещенной
части кроны происходит более резко (на 1000—1200 кПа), что
обеспечивает ее преимущества в снабжении водой и более экономное
расходование воды растением в целом.
Во время летней засухи устьица часто ненадолго открываются
лишь в утренние часы и вскоре снова закрываются, идет только
кутикулярная транспирация (рис. 80, Д).
4.5.3.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ТРАНСПИРАЦИИ
Методы измерения интенсивности транспирации растений
подразделяют на две группы. Первую составляют методы, основанные
на учете массы исследуемого объекта через заданные промежутки
времени или непрерывно. В случае, если все другие причины
изменения массы, кроме испарения воды растением, исключены или
учитываются отдельно, [интенсивность транспирации вычисляют,
продифференцировав кривую изменения массы во времени.] Вывод на
самописец показаний электронных весов, на которые устанавливают
сосуд с растением, позволяет вести непрерывную автоматическую
регистрацию процесса. Однако изменения массы интактных растений
контролируют только при выращивании их в сосудах.
В полевых условиях для определения интенсивности транспирации обычно применяют различные модификации предложенного Л.
А. Ивановым метода быстрого взвешивания отчлененного от растения
листа или побега. Первое взвешивание проводят сразу после срезания,
а второе — через 3—5 мин, что дает возможность измерять
транспирацию при том состоянии насыщенности листа водой, в каком
он находился на растении. Для быстрого взвешивания удобно
использовать торзионные весы.
Однако надо иметь в виду, что этот метод не отличается высокой
точностью, так как само срезание приводит к существенному
изменению интенсивности транспирации. В первый момент после
срезания она очень сильно возрастает вследствие нарушения
непрерывности натянутых водяных нитей в сосудах ксилемы. Сразу
же после всплеска интенсивность транспирации падает, сначала очень
быстро, а затем все медленнее, иногда она может слегка подняться.
Через некоторое время благодаря уменьшению содержания воды в
листе и увеличению водоудерживающей способности тканей
интенсивность транспирации устойчиво снижается. «Скачок»
транспирации будет не таким резким, если лист или побег растения
срезать под расплавленным парафином, который, застывая,
предотвращает сокращение натянутых водных нитей.
Для большинства растений интенсивность транспирации за время,
начиная от первой минуты после срезания и кончая четвертой (за 3минутный
интервал),
равна
интенсивности
транспирации
неповрежденного растения. Однако характер и выраженность реакции
на отчленение и последующее обезвоживание листа значительно
различаются в зависимости от видовых особенностей, возраста листа,
его оводненности, условий внешней среды. Поэтому, начиная
работать с новым о&ьектом, следует повторять взвешивания с
интервалом 1 мин в течение 10 мин. Результаты изображают
графически и устанавливают время, когда заканчиваются альтерации
и процесс выходит на кратковременное плато, после которого
наблюдается устойчивое снижение транспирации в результате
уменьшения оводненности. Этот интервал времени в дальнейшем
должен соответствовать экспозиции при определении интенсивности
транспирации.
Метод быстрого взвешивания используют также при работе с
частями листовой пластинки, когда необходимо определить интенсивность транспирации растений с крупными листьями, или при
работе с дисками, когда изучают и другие параметры или процессы,
например водный дефицит, водный потенциал, интенсивность
фотосинтеза, и т. д. Б. Славик рекомендует для введения поправки на
потерю воды срезанной частью, относительная доля которой в этом
случае значительно возрастает, определять интенсивность
транспирации двух дисков с разным соотношением между площадями
интактной поверхности и среза.
Методы второй группы основаны на учете величины потока
водяного пара, поступающего из растения. В этом случае всю
надземную часть растения или лист помещают в транспирационную
камеру, через которую непрерывно прокачивают воздух. Пробы
воздуха с входа и выхода камеры подаются в измерительное
устройство, что позволяет регистрировать увеличение влажности
воздуха в результате транспирации (ДС, мг/см3). Интенсивность
транспирации [мг/(см2- с)] рассчитывают по формуле
АСУ
JS’
где И—объемная скорость движения воздуха через камеру, см 3/с’ 5—площадь
транспирируюшей поверхности листьев, находящихся в камере, см 2.
Для обеспечения достаточной точности определения большое
значение имеют создание и поддержание определенной скорости тока
воздуха в системе. При транспирирующей поверхности до 20 см2
используют расход воздуха 50—100 л/ч (14—28 см3/с), для более
крупных объектов — 100—300 л/ч, иногда больше. Для прокачки
воздуха применяют формвакуумные насосы или микрокомпрессоры,
в качестве «сглаживающей емкости» используют пустой кислородный
баллон, скорость потоков воздуха измеряют с помощью газового
счетчика ГСБ-500 или ротаметра.
Одним из основных узлов установки для определения транспирации в токе воздуха является листовая камера. Имеется множество
различных конструкций камер, однако требования, предъявляемые к
ним, чрезвычайно трудно выполнить. С одной стороны, условия
внутри камеры, (влажность и температура воздуха, интенсивность и
спектральный состав света, концентрация СО2 и паров воды, скорость
потока воздуха и т. д.) не должны существенно отличаться от условий
вне камеры, чтобы сохранялся естественный ход физиологических
процессов, а это очень сложно соблюсти в ограниченном
пространстве. С другой стороны, на выходе из камеры для четкой
регистрации концентрации паров воды она должна быть иной, чем
входная. Чтобы выполнить эти условия, приходится искать
компромиссное решение. Обычно исследователь выбирает форму,
объем и конфигурацию листовой камеры исходя из конкретной
задачи, особенностей объекта и возможностей измерительной
системы.
В качестве измерительного устройства чаще используют дифференциальный психрометр или инфракрасный газовый анализатор,
которые позволяют с высокой точностью измерять разность
концентраций водяных паров и обладают малой инерционностью.
Дифференциальный психрометр представляет собой два непрерывно смачиваемых идентичных датчика температуры, помещенных в два цилиндрических канала измерительного устройства,
через которые с одинаковой скоростью пропускают воздух,
предварительно нагретый до одинаковой температуры. В первый
канал поступает воздух с входа, а во второй — с выхода листовой
камеры.
•
Температура, а следовательно, и электросопротивление каждого
датчика зависят от интенсивности испарения воды батистовым
фитилем. Так как скорость и температура воздуха, поступающего в
оба канала, постоянны, интенсивность испарения зависит только от
содержания в нем водяных паров.
Наиболее перспективными приборами для определения интенсивности транспирации в токе воздуха являются инфракрасные
газоанализаторы, предназначенные для регистрации концентрации
СС>2 и паров воды. Обычно используется дифференциальная схема,
т. е. через контрольную кювету непрерывно пропускается
естественный воздух. Прибор регистрирует разницу между
концентрацией водяных паров в исходном воздухе и воздухе,
прошедшем через камеру с листом.
Основное достоинство дифференциального психрометра и инфракрасного газоанализатора в том, что они дают возможность вести
непрерывную автоматическую регистрацию транспирации на одном и
том же объекте, не отчлененном от растения в течение длительного
времени, как в лабораторных, так и в полевых условиях.
4.5.4.
СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ТРАНСПИРАЦИИ
Перспективным способом снижения уровня транспирации
растений при пересадке, а также в условиях недостатка влаги является
применение, антитранспирантов. По механизму действия их можно
разделить на две группы: вещества, которые вызывают закрывание
устьиц; вещества, которые образуют на поверх
ности листьев пленки, создавая механическое препятствие для
испарения воды.
К первой группе относятся абсцизовая кислота и ее производные,
которые не оказывают токсического влияния на растения и вызывают
закрывание устьиц как при опрыскивании, так и при введении их через
корни с поливной водой. В определенных концентрациях АБК, не
уменьшая фотосинтеза, снижает транспирацию хлопчатника во время
полива и после него.
Эффективными антитранспирантами являются метиловый и
фениловый эфиры АБК. Опрыскивание эфирами в концентрации 10-4
М приводит к уменьшению транспирации на 50 %, причем к концу 9го дня после опрыскивания это снижение сохраняется на уровне 20—
25 %.
В последнее время из растений выделены другие природные
антитранспиранты, вызывающие закрывание устьиц. Близкой к АБК
активностью обладает вомифолиол, выделенный из Poli- norea alpina.
Из сорго суданского выделен 2-транс-дигидрофар- незол, который
даже более активно способствует закрыванию устьиц, чем АБК. Далее
приведены антитранспиранты метаболического типа, которые
используют
для
снижения
потери
воды
различными
сельскохозяйственными культурами.
Применение антитранспирантов метаболического действия
(Дж. Никелл, 1984)
Растение
Соединение
Абсцизовая кислота
Алахлор
Алкенилянтарная кислота
Хлормекват 8-Оксихинолнн
Индолилуксусная кислота
Хлорфлюренол, метиловый эфир
Фенилмеркурацетат
Ячмень, фасоль, цитрусовые, огурец,
перец, томат
Кукуруза
Табак
Подсолнечник, томат
Томат, земляника
Томат
Хлопчатник
Хлопчатник, табак, томат
Вторая группа веществ — антитранспиранты пленочного типа —
образует на поверхности листьев моно- и полимолеку- лярные
прозрачные и эластичные пленки, ограничивающие испарение воды.
В отличие от антитранспирантов метаболического типа они должны
слабо проникать через эпидермис, обладать малой подвижностью в4
растении и не оказывать влияния на его метаболизм. Природным
прообразом
пленочных
антитранспирантов
является
эпикутикулярный воск, регулирующий диффузию паров воды и СО2.
При полностью открытых устьицах заполнение воском надустьичной полости способно снизить газообмен на 15—35 %. В
качестве антитранспирантов пленочного типа используют эмульсии
высокомолекулярных соединений — полиэтилена, полипропилена, полистирола, полиакриламида, натуральный или искусственный латекс. Пленочные антитранспиранты, уменьшая
транспирацию на 25—30 %, не оказывают существенного отрицательного влияния на фотосинтез и радиационный баланс листа.
Сохраняется пленка на растении обычно 12—16 дней.
Для использования в качестве пленочного антитранспиранта на
посевах озимой и яровой пшеницы, а также картофеля рекомендуется
0,3%-ная водная эмульсия полиакриламида (ПАА). При расходе
рабочей жидкости в полевых условиях 500 л/га и добавлении
нейтрального эмульгатора ОП-7 в концентрации 0,3 г/л на верхнем и
нижнем эпидермисах листьев образуется пленка толщиной 0,01—0,04
мм, которая высыхает в течение 20—30 мин. Обработка ПАА озимой
пшеницы в фазе колошения снижает интенсивность транспирации по
сравнению с необработанными растениями на 2-й день на 6,3 %, на 7й — на 29,5 и на 12-й —на 22 %. При этом температурные градиенты
лист—воздух изменялись незначительно. Полиакриламидная пленка
на фоне почвенной засухи лишь на 4—5 % снижала интенсивность
фотосинтеза, способствовала увеличению массы листьев (на • 13,8—
35 %), стеблей, колосьев и 1000 зерен (на. 10,2—11,6 %). Содержание
белка в зерне пшеницы повышалось на 0,7—0,8 % (Шматько и др.,
1989).
Достаточно
эффективно
использование
пленочных
антитранспирантов при пересадке саженцев древесных растений в
облиственном состоянии. Обработанные растения сокращают
транспирацию на 20—60 % в течение 12—15 сут, что значительно
повышает их приживаемость,
4.6. ВОДНЫЙ БАЛАНС РАСТЕНИЙ
Водообмен растений включает три процесса: поглощение,
передвижение и испарение воды листьями. Соотношение между
поступлением и расходом воды представляет собой водный баланс
растения. В умеренно влажные и не слишком жаркие дни транспирация хорошо согласована с поступлением воды, оводнен- ность
тканей довольно постоянна, т. е. складывается благоприятный водный
баланс растения. В жаркие летние дни усиление транспирации
нарушает это относительное равновесие, что вызывает водный
дефицит, достигающий даже при достаточной влажности почвы 5—
10 %, а при недостатке влаги в почве — 25 %, что указывает на
отрицательный характер водного баланса. Это объясняется тем, что
корни не успевают покрывать расход воды на транспирацию,
интенсивность которой, особенно в полуденные часы, сильно
возрастает. Полуденный водный дефицит представляет собой
нормальное явление и не причиняет растению особого вреда. Его
значительному увеличению препятствует способность растений
снижать транспирацию под влиянием потери воды за счет возрастания
водоудерживающей способности тканей и закрывания устьичных
щелей.
Однако регулирование транспирации небеспредельно. В жестких
условиях жаркого летнего дня при недостатке воды в почве
происходит значительное нарушение водного баланса, которое
проявляется в потере тургора растением — завядании. Завядание еще
не указывает на утрату растением жизнеспособности. При
обеспечении растений водой тургор восстанавливается и их нормальная жизнедеятельность возобновляется. Но завядание не
проходит для растения бесследно: чем оно было глубже и длительнее,
тем серьезнее его последствия.
Различают два типа завядания растений: временное и длительное.
Первое наблюдается обычно в полуденные часы. При этом сильнее
всего расходующие воду органы, а именно листья теряют тургор и
вянут, остальные части растения, сохраняют тургесцент- ность. При
ослаблений транспирации к вечеру водный дефицит снижается, а в
ночйые часы за счет активной деятельности корневой системы водный
баланс
полностью
восстанавливается.
Большого
вреда
временное.’зйвядание не причиняет, хотя возможно снижение урожая,
так как наблюдаются депрессия фотосинтеза и приостановка ростовых
цроцессов. Временное завядание нередко наблюдается у сахарной
свеклы,
подсолнечника,
огурца,
тыквы
и
других
сельскохозяйственных растений.
Длительное завядание наступает, когда в почве почти не остается
доступной для растения влаги. В этих условиях водный баланс
растения за ночь не восстанавливается. Такой не покрываемый к утру
водный дефицит получил название остаточного дефицита.
Завядающие листья оттягивают воду из других частей растения:
молодых растущих верхушек, корней, плодов. Происходит отмирание
корневых волосков, поглотительная деятельность корней значительно
снижается. Поэтому даже после полива водный баланс растения
восстанавливается лишь через несколько дней. Последствия такого
завядания могут быть необратимыми и губительными.
4.7. ВЛИЯНИЕ НА РАСТЕНИЯ НЕДОСТАТКА ВОДЫ
Способность растений переносить недостаточное влагообеспечение является комплексным свойством. Она определяется возможностью растений отсрочить опасное уменьшение оводнен- ности
протоплазмы (избегание высыхания) и способностью протоплазмы
переносить обезвоживание без повреждения (выносливостью).
Избегание высыхания достигается благодаря морфологической,
анатомической приспособленности растений к сохранению
оптимальной оводненности тканей при сухости воздуха и почвы.
Здесь можно выделить три основных направления: регулирование
потери воды за счет ксероморфного строения листьев; усиление
поглощения воды из почвы благодаря увеличению мощности
корневой системы и снижению водного потенциала корней;
накопление воды и активизация ее транспорта.
Листья как органы транспирации обладают значительной
пластичностью, и в их строении наблюдаются большие различия,
зависящие от условий водоснабжения и освещенности, при которых происходят формирование и развитие растений. Большое
значение для понимания природы засухоустойчивости имеют исследования В. Р. Заленского. В 1904 г. им было установлено, что
существует строгая ярусная изменчивость анатомического строения листа. Оказалось, что чем выше расположен лист на стебле,
тем сильнее у него выражены признаки ксероморфности, повышающие засухоустойчивость, а именно:
больше длина проводящей системы на единицу поверхности;
меньше размеры клеток как верхнего, так и нижнего эпидермиса;
меньше размеры устьиц на верхней и нижней сторонах листа;
большее число устьиц на единицу листовой поверхности;
толще наружные стенки у клеток верхнего и нижнего эпидермиса;
сильнее развит восковой налет;
меньше размеры всех клеток мезофиЛла;
более типично развита палисадная паренхима;
менее типично выражена губчатая паренхима;
слабее представлена система межклетников;
несколько сильнее развиты механические ткани.
Иллюстрацией этих закономерностей может служить рисунок
81, изображающий строение верхнего и нижнего листьев. С анатомическими особенностями связаны также и физиологические:
верхние листья отличаются более высокой интенсивностью процессов фотосинтеза и транспирации. Концентрация клеточного
Рве. 81. Стрпгввг jMcnoi вдовего (И) в шокнего (£) ярусе» ввдевлвечтои (Н. А. Мавсвмов,
1952). В каждом круге слева — жжшЛ •пшяерввяг., справа — ссп леям сока в клетках
верхних листьев выше, и в условиях водного дефицита они
оттягивают воду от более оводненных нижних листьев, которые при
длительном завядании растения отмирают раньше.
Одним из главных факторов, обусловливающих ксероморфизм
строения листа, являются условия его водоснабжения на ранних фазах
развития. Удаленность от корневой системы и оттягивание воды
растущей верхушкой способствуют тому, что листья верхних ярусов
формируются в условиях затрудненного водоснабжения, что
приводит к их мелкоклеточности. Такое же ксероморф- ное строение
может быть вызвано и непосредственным воздействием внешних
факторов на растение: повышением сухости воздуха, понижением
влажности почвы, а также периодическим завяданием. Растения,
развивающиеся в таких условиях, отличаются повышенной
засухоустойчивостью.
Установленные закономерности, получившие название закона
Заленского, показали, что неправильно считать основным признаком
засухоустойчивости способность растений расходовать как можно
меньше воды. Сокращение расхода воды неизбежно влечет за собой и
ухудшение условий воздушного и минерального питания растений.
Ксероморфизм
обеспечивает
возможность
активного
функционирования в засушливых условиях.
Другая, не менее значимая возможность избегания высыхания —
развитие мощной корневой системы для добывания воды.
Соотношение между массой надземной системы и массой корней
обычно тем больше смещается в пользу корней, чем сильнее растения
в данной местности подвергаются действию засухи. Поддерживать
нормальную оводненность тканей также помогает запасание воды в
корнях, стволах и толстых ветвях деревьев, хотя у
сельскохозяйственных растений такая способность развита слабо.
Возможность перераспределения влаги между растениями
обусловливается срастанием корней. Установлено, что между
переплетающимися корнями соседних растений возникают анатомические системы связи, по которым могут передвигаться питательные вещества и вода. Так, в опытах с томатом показано, что вода
может транспортироваться между растениями, корни которых
находятся в общем сосуде с почвой, и даже через корни
промежуточного растения, которое само получает воду от других
растений. В обоих случаях вода передавалась в количествах, достаточных для того, чтобы задержать, а иногда и предотвратить
завядание. Эти наблюдения показывают, что нужно проявлять особую
осторожность, проводя полевые измерения на растениях в
сообществах, если влажность почвы под соседними растениями
существенно отличается от влажности под изучаемыми экземплярами.
Кроме анатомо-морфологических существуют биохимические
механизмы предотвращения обезвоживания. Высокая водоудерживающая способность цитоплазмы поддерживается путем накопления низкомолекулярных гидрофильных белков, связывающих в
гидратных оболочках значительные количества воды. Этому
способствует также накопление пролина и моносахаридов.
Интересным свойством, уменьшающим потерю воды, обладают
некоторые суккуленты. Благодаря особенностям процесса фотосинтеза (CAM-путь) они запасают в ночные часы при открытых
устьицах СО2 в составе яблочной кислоты в вакуолях, а днем
используют его для восстановления на свету. Фотосинтез, таким
образом, осуществляется при закрытых устьицах.
Засуховыносливость — это видоспецифическое и способное к
адаптивному изменению свойство протоплазмы переносить водный
дефицит. Протоплазма большинства растений чрезвычайно
чувствительна к обезвоживанию. Клетки надземных органов мезофитов, к которым относится большинство сельскохозяйственных
культур, погибают, если их несколько часов выдерживать в воздухе с
относительной влажностью 92—96 %, что соответствует депрессии
водного потенциала 5,5—11 МПа. Корни еще более чувствительны.
Водный дефицит приводит к прогрессирующему обезвоживанию
протоплазмы, что вызывает нарушение физиологических функций, их
прекращение и повреждение протоплазматических структур.
Снижение содержания воды в клетке ниже оптимального уровня,
вызывающее нарушения метаболизма, называется водным стрессом.
Одним из показателей водного стресса является депрессия водного
потенциала. Для типичной клетки листа мезофитов с водным
потенциалом примерно 2 МПа установлены три степени водного
стресса: мягкий стресс — снижение водного потенциала не более чем
на 1 МПа; умеренный (средний) стресс — снижение водного
потенциала на 1,2—1,5 МПа; суровый стресс — снижение водного
потенциала более чем на 1,5 МПа. Мягкий стресс соответствует
небольшой потере тургора, тогда как средний связан с подвяданием
листьев, а суровый стресс — с завяданием растений. В таблице 17
представлены данные о чувствительности клеточных функций к
недостатку воды и изменениям, происходящим в растении при
подсыхании.
Наибольшей чувствительностью к водному стрессу характеризуются ростовые процессы. Это объясняется, во-первых, тем, что в
основе растяжения клеток лежат тургорные явления, а утрата тургора
во время роста клеток ведет к мелкоклеточности, во-вторых, рост
тесным образом связан с нуклеиновым и белковым обменом.
Сложность этих процессов приводит к их большой уязвимости при
всякого рода неблагоприятных воздействиях, в том числе и водном
стрессе.
17. Влияние иодного стресса на фмаисмогические процессы (no Т. Hsiao,
1973, с мамеиеимшм)
Дсйетнк на нитемжппь
Стоим* аояаого попяниам**, МПа
___ 4PM»e««____j2235ZZZZEZZI®ZZZ
irZZZ!ZIZZIZZZiZIIZ
Рост ЮКПЖ (—)
__________________
Образование клеточной стенки (—)
_____________
Синтез белка (—)
__________________
Активность юпратреаук- таэы (—)
_______________
Образование хлорофилла (—>
—
Синтез абсцизовой кислоты (+)
----------------------------------------------------Синтез цитокининов (—)
---------------------------------------Открытие устьиц (—>
-------------------------------------------------Фотосинтез (-)
--------------------------------------------------
Дыхание (+)
-------------------------------------------------Накопление пролина (+)
---------------------------Накопление авара» (+)
,
------------------------------------------2(~) — снижение, (+) — увеличение. “ Непрерывные линии показывают предел
уровней стресса, в котором процесс псрионзчально подвергается действию; пунктиром
обозначены эффекты, которые пока точно не усганошюш.
Из данных таблицы можно увидеть, что по мере того как
водный стресс усиливается от мягкого к умеренному, его действие
на внутриклеточные биохимические процессы увеличивается.
Так, процессы биосинтеза белка и хлорофилла чувствительны к
сравнительно слабому стрессу, тогда как в условиях умеренного
стресса снижается уровень нитратредуктазной активности, метаболизма фитогормонов, фотосинтеза. Переход от умеренного к
суровому стрессу связан с серьезными нарушениями клеточного
метаболизма, о чем свидетельствует усиление дыхания, которое
характеризуется низкой энергетической эффективностью, накоплением пролина и сахаров.
Влияние водного дефицита на метаболические процессы в
значительной мере зависит от длительности его действия. При
устойчивом завядании растений увеличивается скорость распада
РНК, белков и одновременно возрастает количество небелковых
азотсодержащих соединений. Влияние водного дефицита на углеводный обмен листа выражается вначале в снижении моно- и
дисахаридов из-за снижения интенсивности фотосинтеза. Затем
количество моносахаридов может возрастать в результате гидролиза полисахаридов. При длительном водном дефиците наблюдается уменьшение количества всех форм сахаров. Детоксикация
избытка образующегося при протеолизе аммиака происходит с
участием органических кислот, количество которых возрастает в
тканях при водном дефиците. Процессы восстановления идут
успешно, если не повреждены при недостатке воды генетические
системы клеток. Зашита ДНК состоит в частичном выведении молекул
из активного состояния с помощью ядерных белков и, возможно, с
участием специальных стрессовых белков. Поэтому изменения
количества ДНК обнаруживаются лишь при сильной длительной
засухе.
Действие водного стресса опасно на всех этапах жизни растения.
Начало прорастания семян возможно только пойле их значительного
набухания. Существует также тесная корреляция между скоростью
прорастания и поглощением воды, так как подземный рост путем
растяжения клеток идет за счет гидростатического давления,
создаваемого корнем. Количество влаги, необходимое для
прорастания семян, сильно варьирует у разных видов растений. Для
прорастания семян бобовых культур (клевер, люцерна, бобы, горох)
минимальное содержание влаги в семенах 120—160 % сухого
вещества, минимальный водный потенциал почвы составляет —
1,2...—1,5 МПа; для пшеницы, ячменя, сахарной свеклы эти величины
соответственно равны 30— 46 % и -0,4...-1,0 МПа.
Отрицательное действие водного стресса во время вегетации
заключается в подавлении ростовых процессов как наиболее сложных
и требующих координации между отдельными физиологическими
функциями. Вследствие подавления роста сокращается площадь
листьев, т. е. ассимилирующая поверхность, что и является основной
причиной снижения урожаев при засухе.
Следует отметить, что рост листьев более чувствителен к водному
дефициту, чем рост корней. Корневая система, как уже отмечалось,
обладает колоссальными потенциальными способностями к росту.
Несмотря на отмирание при водном дефиците кончиков главных
корней, вскоре начинается рост боковых корней.
Фотосинтез тормозится не сразу: при неглубоком водном дефиците
(8—10 %) его интенсивность даже немного возрастает и лишь при
сильном и продолжительном — уменьшается. Подавление
фотосинтеза при постепенном развитии засухи, которое обычно
наблюдается в полевых условиях, в значительной степени вызывается
не столько повреждением хлоропластов, отличающихся повышенной
устойчивостью к обезвоживанию, сколько задержкой оттока из
листьев ассимилятов из-за задержки ростовых процессов. Об этом
свидетельствует повышенное содержание в листьях сахаров — веский
аргумент против представления о голодании растений как важнейшей
причине снижения урожаев при водном дефиците.
Переполнение листьев ассимилятами не всегда способствует
физиологически оправданному подъему дыхания. Однако устойчивость самих хлоропластов не является безграничной, и при
существенном снижении тургесцентности в них начинаются дегрддационные изменения, которые касаются как структуры, так и
функции этих пластид: прогрессирующе снижаются фотохимическая
активность, активность РДФ-карбоксилазы, нарушаются пигментные
комплексы. Подавление фотосинтеза также может быть следствием
закрывания устьиц при водном дефиците.
Длительное ухудшение водообеспеченности растений даже при
относительно небольшом уменьшении водного потенциала (на 0,05—
0,10 МПа) приводит к нарушению оптимального соотношения между
фотосинтезом и дыханием, вследствие чего снижаются уровень
синтетических процессов и продуктивность растений. Особенно
опасен длительный водный дефицит при закладке репродуктивных
органов. Не случайно этот период называют критическим в
отношении влагообеспечения. Но даже завязавшиеся плоды еще не
являются гарантией урожая. В условиях водного дефицита
происходит перераспределение воды между органами. Хотя плоды в
большинстве случаев транспири- руют очень слабо, в течение дня у
них наблюдаются заметные изменения в объеме. Так, на хлопчатнике
с большим количеством развивающихся коробочек листья завядают
не столь сильно главным образом потому, что вода оттекает из
коробочек в листья. Если в почве достаточно доступной воды, все эти
изменения остаются обратимыми и дефицит воды в растении каждую
ночь ликвидируется. При длительном водном дефиците происходит
опадение плодов. Кроме того, изменения в обмене веществ в условиях
водного стресса часто неблагоприятно сказываются на качестве
сельскохозяйственной продукции.
4.8.
ВЛИЯНИЕ НА РАСТЕНИЯ ИЗБЫТКА ВЛАГИ В ПОЧВЕ
Постоянное или временное переувлажнение характерно для
многих районов земного шара. Оно нередко наблюдается также при
орошении, особенно проводимом методом затопления. Избыток воды
в почве может быть для растения так же вреден, как и ее недостаток.
Причина этого заключается не в том, что вода сама по себе вредна для
корней. Убедительным доказательством является успешное
выращивание в водной культуре любых растений, даже ксерофитов.
Вред от заболачивания, а также от временного затопления
заключается в ухудшении аэрации почвы, что приводит к серьезным
неблагоприятным последствиям.
Главный вред состоит в уменьшении или прекращении обеспечения корней кислородом, т. е. в возникновении гипоксии или
аноксии. Наиболее часто в условиях кислородной недостаточности
оказываются озимые хлеба, соя, рис, хлопчатник, плодовые культуры.
Состояния гипоксии и аноксии для разных растений и их отдельных
органов до сих пор не имеют четкого количествен-
Пути приспособления растений к гипо- и аноксии
Приспособления к функционированию: при
недостатке или отсутствии кислорода
Сохранение близкого к нормальному уровня
содержания кислорода в корневой ткани
Аяатомо-морфологические приспособления
Снижение интенсивности обмена
веществ
V
Участие листьев и
чечевичек в
транспорте кислорода из атмосферы
I
I
Удаление токсичных продуктов
Компенсаторные
изменения в обмене веществ
Целостность и стабильность
мембран
Аноксическое
эндогенное с»3
Трансформация
окисление '-интез
дыхательных путей
белков
адаптивных
ферментов
Увеличение доли
Возрастание доли ПФП
гликоза при
при гипоксии
аноксии
Метаболизация продуктов
анаэробного обмена
Обращение
Обращение
дикарбоновой
конечных
части цикла
этапов
Кребса
брожений
Рис. 82. Схема путей приспособления растений к гипо- и аноксии (Т. В. Чиркова, 1988)
Использование внутренних
источников кислорода
ного выражения, поскольку отсутствуют надежные методы определения парциального давления кислорода в клетке. Особенно
неблагоприятно недостаток кислорода сказывается на активно
функционирующих органах. Различные потребности в кислороде
характерны не только для разных по устойчивости растений или их
органов, но и для разных процессов жизнедеятельности. Так, рост
корней тормозится обычно при более высоком содержании
кислорода, чем процесс дыхания.
Выяснение причин и механизмов устойчивости растений к
недостатку кислорода представляет не только теоретический интерес,
но имеет большое значение для разработки технологии выращивания
растений на затопляемых почвах, в водной культуре,
программирования урожая различающихся по чувствительности к
кислородному дефициту растений и для совершенствования методов
отбора селекционного материала.
Как и при других неблагоприятных условиях, стратегия адаптации
к кислородному голоданию включает комплекс различных
приспособительных реакций (рис. 82). Для того чтобы избежать
повреждающего фактора, необходима доставка в корни атмосферного
кислорода. Этому способствуют разнообразные морфологоанатомические и физиологические свойства растений.
В условиях ограниченной аэрации корни укорачиваются,
утолщаются, не образуют корневых волосков. Деревья тропических
мангровых лесов имеют воздушные корни-подпорки, покрытые
многочисленными порами, через которые воздух поступает в
растение. Для гигрофитов типичным является образование непрерывной системы воздухоносных полостей от надземной части
растений до корней. Возникновение аэренхимы при ограничении
доступа кислорода происходит и у мезофитов: кукурузы, ячменя,
пшеницы.
Увеличение объемов воздухоносных полостей наблюдается
обычно в дополнительно образующихся адвентивных корнях.
Наибольшую роль в снабжении корневой системы кислородом
играют листья. Существует не только анатомо-морфологическая, но и
метаболическая адаптация листьев к дополнительному поглощению
кислорода и транспорту его в корни. У листопадных растений
снабжение корневой системы кислородом осуществляется также
через чечевички ветвей.
Помимо приспособлений для сохранения близкого к нормальному
уровня содержания кислорода в корнях при длительном затоплении
растения используют внутренние резервы для функционирования при
недостатке и даже отсутствии кислорода. Таковыми могут быть
изменения в обмене веществ, или метаболические способы
адаптации.
В связи со спецификой воздействия ведущими являются изменения процесса дыхания. Одним из них может быть низкая
интенсивность дыхания устойчивых растений или отдельных их
органов даже в нормальных условиях аэрации, что позволяет
•Ж7
растению сохранять его почти без изменений в условиях недостатка кислорода. Происходит также качественная перестройка
дыхания.
Основным путем распада углеводов у всех растений в анаэробных условиях является гликолиз. У неустойчивых растений
резкое увеличение доли и активности гликолитического распада
глюкозы наблюдается уже в первые часы анаэробного воздействия, но бывает весьма кратковременным, и растение оказывается
на пороге гибели. У приспособленных же объектов при меньшей
интенсивности этот процесс может происходить в течение продолжительного времени, что обеспечивает более надежную поставку энергии. У приспособленных растений положительную
роль также играет включение пентозофосфатного пути (ПФП),
поставляющего восстановители и необходимые для биосинтеза
промежуточные продукты.
Усиление гликолиза сопровождается накоплением конечных
продуктов брожения, прежде всего этанола, обладающего токсическим действием. Физиолого-биохимическая стратегия избавления от высоких концентраций этанола и других неблагоприятных
продуктов обмена является разносторонней. При корневой
гипоксии происходят экссудация продуктов анаэробного обмена
(этанола, ацетальдегида, молочной кислоты) в ризосферу, а также
подъем с транспирационным током в надземную часть и выброс
их в атмосферу или включение в обмен веществ листа.
Приспособление к аноксии может быть связано также с частичным предотвращением накопления этанола путем обращения конечных этапов брожения и дикарбоновой части цикла Кребса.
Известно, что при затоплении у устойчивых растений вместо
этанола накапливаются нетоксичные соединения — малат и сукцинат. При аноксии роль кислорода как акцептора электронов
временно могут выполнять нитраты. Обычно использование растением нитратов в анаэробных условиях называют нитратным
дыханием и относят к эндогенному аноксическому окислению.
Прячем комплекс защитных реакций имеется у любого растения
независимо от степени его приспособленности. Различие состоит
в том, что у устойчивых объектов переход на новый режим
происходит постепенно и сопровождается изменением состава и
свойств мембран, а также синтезом белков адаптивных ферментов. Это обеспечивает сохранение целостности мембранных
структур к их нормальное функционирование, т. е. поддержание
гомеостаза в новых условиях. У неустойчивых растений защитные реакции, включаясь быстро, оказываются краткосрочными,
и как следствие истощения приспособительных возможностей
возникают необратимые повреждения.
Кроме прямого воздействия недостатка кислорода на корни,
заполнения почвенных капилляров и уменьшения или прекрашения аэрации почвы существует и ряд косвенных неблагоприятных
последствий. Главное из них заключается в том, что прекращаются
нормальные окислительные процессы в почве, вызываемые
деятельностью аэробных почвенных бактерий, и начинают
преобладать анаэробные, преимущественно маслянокислое и другие
виды брожения. При этом в почве накапливаются органические
кислоты, а также восстановленные органические и неорганические
соединения, многие из которых чрезвычайно ядовиты для корней
растений, например соли гемиоксида (закиси) железа. Такие продукты
называются болотными токсинами. К числу вредных для растений
последствий анаэробных условий относится и чрезмерное накопление
водородных ионов, делающих почвы сильнокислыми.
Неблагоприятное воздействие избыточного увлажнения почвы
сказывается на протяжении всей жизни растений. Семена, попавшие
в переувлажненную почву, плохо и медленно всходят, что связано с
затруднением их дыхания и ухудшением энергообеспечения
ростовых процессов. При временном чрезмерном повышении
влажности почвы, например весной при таянии снега или при
затяжных дождях, вызывающих на пониженных местах пашни
застаивание
воды,
наблюдается
вымокание
растений.
Непродолжительное застаивание воды вызывает повреждение и
задержку роста растений и снижает эффективность борьбы с
сорняками, обычно особенно буйно развивающимися на вымочках.
Длительное же застаивание воды приводит к полной гибели
культурных растений. Наиболее часто от вымокания страдают озимые
культуры и земляника.
ТРАНСПИРАЦИОННЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ
И КОЭФФИЦИЕНТ ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ,
ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ,
СПОСОБЫ ИХ СНИЖЕНИЯ
4.9.
Эффективность использования воды растением выражается рядом
показателей. Количество созданного сухого вещества на 1 л
транспирированной
воды
характеризует
продуктивность
транспирации. В зависимости от условий выращивания и видовых
особенностей растений она составляет 2—8, чаще 3—5 г/л.
Величиной, обратной продуктивности транспирации, является
транспирационный коэффициент, который показывает, сколько воды
растение затрачивает на построение единицы массы сухого вещества.
Транспирационные коэффициенты варьируют от 100 до 500, причем
у большинства сельскохозяйственных растений они сравнительно
близки и зависят от условий выращивания. Относительно низкими его
значениями отличаются только просовидные злаки (просо, сорго).
Практически определить продуктивность транспирации или
транспирационный коэффициент довольно сложно. Расчет потери
воды на транспирацию за вегетационный период на основе данных об
•Ж7
интенсивности транспирации по декадам или месяцам дает большую
ошибку. Трудно учесть и количество образованного сухого вещества:
в течение вегетации отдельные листья отмирают и опадают, еще
сложнее учет накопления массы корней. Поэтому эти показатели чаще
определяют в вегетационных опытах. Строгий учет количества
поливной воды и предотвращение испарения с поверхности
корнеобитаемой среды позволяют судить о ее расходе на
транспирацию.
В полевых опытах и агрономической практике для оценки
эффективности использования воды определяют коэффициент
водопотребления (эвапотранспирационный коэффициент), который
рассчитывают как отношение эвапотранспирации к созданной
биомассе или хозяйственно полезному урожаю. Под эвапотранспирацией понимают суммарный расход воды за вегетацию 1 га
посева или насаждения, т. е. сюда включаются испарение с
поверхности почвы (эвапорация) и транспирация. Причем в засоренных посевах и насаждениях это будет транспирация и культурных растений, и сорняков.
Эвапотранспирации» можно рассчитать балансовым способом.
Она равняется разности в содержании влаги в метровом слое почвы в
начале и конце вегетации плюс приход воды с осадками и поливом.
Параллельные определения суммарного водопотребления и
транспирации сельскохозяйственных растений, проводимые на
экспериментальной базе учхоза «Михайловское» под руководством
академика И. С. Шатилова, показали, что доля транспирационного
расхода влаги в суммарном водопотреблении за период посев —
уборка полевых культур составляет на низкоплодородных полях 19—
23 %, на хорошо удобряемых участках — 32—45 %.
Коэффициент водопотребления в значительной степени зависит от
почвенно-климатических факторов. В засушливые годы он выше, чем
в более влажные. Так, по данным Безенчукской сельскохозяйственной
опытной станции, во влажные годы коэффициент водопотребления
основных зерновых культур составлял 400—600, а в засушливые
поднимался до 2000—2500. Установлено, что коэффициент
водопотребления повышается примерно в 2 раза для одних и тех же
чистых линий селекционных сортов разных полевых культур по мере
продвижения с запада на восток, из влажного климата в сухой. Это
объясняется тем, что в засушливых условиях усиление
эвапотранспирации не сопровождается увеличением продуктивности
растений, чаще она снижается, поэтому эффективность
использования воды уменьшается.
Другим метеорологическим фактором, значительно влияющим на
эффективность использования воды
сельскохозяйственными
культурами, является температура. С повышением температуры
эвапотранспирация усиливается; рост растений и накопление
ими сухого вещества находятся в более сложной зависимости от
температуры, которая выражается одновершинной кривой. Причем температурный оптимум для ассимиляционных процессов у
разных видов растений различный. Поэтому температурная зависимость эффективности использования воды определяется видовыми особенностями растений. Так, выращивание сельскохозяйственных культур прохладного и жаркого климата в теплицах
при температуре 10—13 *С и около 27 *С показало, что яровая
рожь в прохладной теплице имела коэффициент водопотребления 423, а при 27 *С — 875, теплолюбивое сорго — соответственно
1236 и 223. Прохладный воздух снижает эвапотранспирацию, но у
теплолюбивых культур вызывает также резкое подавление
ассимиляционных процессов. Надо иметь в виду, что засушливые
годы, особенно на юго-востоке, характеризуются и высокой
температурой воздуха, что неблагоприятно не только для формирования урожая, но и для эффективного использования воды
большинством сельскохозяйственных культур.
Задача агронома состоит в создании таких условий, при которых коэффициент волопотребления снижается. Мощным фактором снижения коэффициента водопотребления является повышение плодородия почвы. В многочисленных вегетационных и полевых опытах доказано, что внесение удобрений не только
повышает урожай, но и снижает затраты воды на создание единицы продукции, так как расход воды на эвапотранспирацию возрастает незначительно. В условиях Московской области в
среднем за 12 лет исследований получены следующие результаты
(табл. 18).
18. Водообмен и урожайность лояееых культур {И. С. Шапиоо ссоаог., 1981)
Озимая пшеница
Картофель
Расчетная лоза
Расчетная лоза
Без удобрений
удобрений
ужйреямй
Показатель
Без
Суммарное «сварение за
период всходи—уборка,
мм
Транспирация, мм
Фитомасса, включая
корни, т/га
Урожайность, т/та
Коэффициент ВЙДМЮтреблёния, MJT
Коэффициент транс-
Ж
319
216
233
54
5.8
13,7
51
5.3
106
10,8
1,61
483
3,65
233
11,6
<мж
24.5
216
93
93
96
98
Суммарный раскол влаги
на единицу зерна,
клубней
1739
«74
186
95
Снижение коэффициента
водопотребления происходит
не только при внесении
удобрений, но и в случае
любого изменения условий
произрастания растений, сопровождающегося
повышением урожая, в том числе и
улучшения обеспечения их
водой. Поддержание влажности
почвы
орошаемого
пастбища в Подмосковье на
уровне 80—85 % НВ способствует повышению урожайности зеленой массы до 71,5
т/га, без орошения получают
Рис. 83. Связь потребления воды с урожаем:
около 48,0 т/га. При этом
I — капуста; 2 — яровая пшеница; 3 — просо
коэффициент
водопотребления соответственно
составляет 95 и 156 м3/т.
Приведенные данные свидетельствуют, что водопотребление и
урожайность связаны нелинейной зависимостью. Графически эта
взаимосвязь выражается кривой с насыщением (рис.83).
При некотором достаточно высоком уровне урожайности ее рост
уже не сопровождался повышением водопотребления, так как
испарение в посеве или насаждении приближается к испарению со
свободной водной поверхности.
По многочисленным данным, повышение водопотребления
прекращается по достижении урожайности кукурузы 10,0— 11,0 т/га,
озимой пшеницы — 5,2—6,0, люцерны на сено — 18,0— 20,0,
картофеля — 42,0—46,0, яблок — 30,0—33,0, винограда — 25,0—27,0
т/га. Получение таких урожаев возможно только при высоком уровне
агротехники, в большинстве районов нашей страны необходимо
также орошение.
4.10.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРОШЕНИЯ
Наиболее радикальным способом повышения урожайности
сельскохозяйственных культур в засушливых условиях является
орошение. Однако только правильное его применение эффективно.
Как избыточное, так и недостаточное орошение может дать
отрицательный результат. При избыточном орошении есть опасность
ухудшения снабжения корней растений кислородом, уплотнения и
вторичного засоления почвы. При недостаточных поливах с
длительными межполивными периодами растения пе
риодически попадают в условия засухи, происходят задержка роста
листьев, снижение их фотосинтетической активности.
Для орошаемого земледелия важно установить интервал влажности почвы, благоприятный для роста и развития сельскохозяйственных культур. На дерново-подзолистых почвах пороговые
величины влажности, при которых полностью прекращаются
ростовые процессы, составляют 20—30 и 90 % НВ (рис.84).
Нижний предел связан с возрастанием водоудерживающих сил,
верхний — с ухудшением аэрации почвы. Оптимальной для накопления сухого вещества является влажность 70—80 % НВ. Но постоянно поддерживать поливом такой узкий интервал влажности в
полевых условиях крайне сложно и невыгодно. Экономически целесообразно получение примерно 80 % максимального урожая. В
практике орошаемого земледелия наиболее эффективно поддерживать влажность почвы в пределах 50—80 % НВ с учетом биологических особенностей сельскохозяйственной культуры, фазы онтогенеза, уровня агротехники, почвенных и климатических условий.
При разработке рациональных режимов орошения сельскохозяйственных культур нужно определить оросительную норму — количество воды, необходимое для полива определенной культуры за
весь вегетационный период в расчете на 1 га. Ее можно установить на
основании многолетнего опыта передовых хозяйств и исследовательских учреждений или рассчитать на планируемый урожай
с использованием средних коэффициентов водопотребления данной
культуры. Сезонное водопотребление полевых культур составляет
3000—4000 м3/га, яблони — 5000—6000 м3/га, среднесуточный
расход влаги полевыми культурами — 2,5—3,5 мм.
Можно рассчитать оросительную норму по метеорологическим
данным.
Наиболее
широко
применяют расчеты по уравнению
водного
баланса,
сумме
ратур, относительной влажсреднесуточных
темпености,
дефициту
влажности
воздуха, тепловому и радиационному балансам. Так, А. М.
Алпатьев
(1961)
предложил
рассчитывать потребность в воде
(мм) овощных культур по формуле
£
Е = 0,65 • Д,
10 20 30 «7 50 60 70 80 90 100
Влажность лоч6ы,%НВ
Рис. 84. Зависимость скорости роста от
влажности почвы
где 0,65 — экспериментально найденный
коэффициент; Д — сумма среднесуточных
дефицитов
влажности
воздуха
за
вегетационный период или за определенную
часть вегетации, мм.
Суммарный расход влаги (м3/га) плодово-ягодными культурами за
период вегетации можно подсчитать по формуле
М=е1,
где е — коэффициент расхода воды, приходящийся на 1 ’С;
суточных температур за период вегетации, °C.
— сумма средне
Для семечковых и косточковых пород этот коэффициент составляет 1,4 м3/га, для более требовательных к влаге ягодников —
1,5—1,9 м3/га на 1 °C.
Для определения потребности растений в орошении используют
данные испарения воды с поверхности эвапорометров. Этот метод
основан на соответствии эвапотранспирации сплошного покрова
растений при оптимальном снабжении их влагой и испарения со
свободной водной поверхности, их сходной зависимости от
метеорологических факторов. Для учета видовых особенностей
растений вводятся поправочные коэффициенты.
Поливная норма = КИ,
где К — коэффициент пропорциональности (для кукурузы он равен 0,85, бобов, сои, сорго,
пшеницы и сахарной свеклы — 0,95, люцерны, клевера, картофеля — I, плодово-ягодных
культур — 1,1); И — испарение с эвапорометра, мм.
Что касается установления сроков орошения, то необходимо
провести полив, когда растение еще не испытывает недостатка в воде,
но уже успело израсходовать почти всю полученную с предыдущим
поливом воду. Сигналом для очередного полива не могут служить
такие внешние признаки, как завядание листьев, утрата тургора
стебля. Подвядание растений приводит к серьезным нарушениям в
ультраструктуре клеток и обмене веществ. Даже кратковременный
недостаток влаги не проходит для растений бесследно. После
установления оптимальных условий водоснабжения поглотительная
деятельность корня и фотосинтез восстанавливаются лишь через 5—
7 дней, рост — через 2—3 недели, что приводит к значительной
потере урожая. Следует также помнить, что у орошаемых культур
развивается большая листовая поверхность, у них нет анатомоморфологических приспособлений для ограничения расхода воды, и
поэтому при перерывах в водоснабжении они страдают сильнее, чем
растения на богаре.
Физиологическими исследованиями установлено, что все
сельскохозяйственные растения особенно чувствительны к недостатку влаги во время закладки репродуктивных органов. У хлебных
злаков это конец кущения — колошение, у плодовых культур — осень
предшествующего года. Период наибольшей чувствительности к
недостатку влаги называется критическим. Он
может не совпадать с периодом
максимальной потребности в
воде,
который
обычно
приходится на более жаркое
время года или связан с формированием листового аппарата
и наливом сочных плодов
(рис.85).
В сухие годы плоды обычно
опадают раньше, чем на листьях
можно обнаружить признаки
увядания. Происходит это не изМесяцы
за более высокой транспирации
плодов, а из-за способности
Рис. 85. Ритм потребления воды сельлистьев в условиях водного
скохозяйственными растениями (Н. А.
дефицита оттягивать от них
Максимов, 1952):
/ — овес (Ленинградская область); 2 — яровая
влагу.
пшеница (Северный Кавказ); 3 — хлопчатник
Для определения времени
(Средняя Азия); 4— яровая пшеница (Средний
полива
часто
определяют
Урал); J— просо (Приуралье)
влажность почвы. Полезно также
вести
наблюдение
за
физиологическим состоянием растений. Хорошим показателем
условий водоснабжения плодовых и овощных культур является
динамика устьичных движений: сразу после полива устьица открываются очень широко, по мере расходования поливной воды щель
их открывается все меньше и меньше, и при исчерпании запаса
доступной воды они вовсе перестают открываться. Полив необходим
раньше, чем наступит такое длительное закрывание устьиц. Другим
достаточно надежным показателем условий водоснабжения может
быть Концентрация клеточного сока (ККС) растительной ткани,
которая при недостатке влаги очень быстро возрастает.
Экспериментальным путем установлены критические значения ККС,
при которых необходим полив (табл. 19).
19. Критические значения концентрации клеточного сока для установления
сроков полива сельскохозяйственных культур (Л. А. Филиппов, 1982)
Культура
Индикаторный орган
Время определения, ч
Хлопчатник
3—4-й лист сверху
13-14
Сахарная свекла Средняя часть жилки
листьев 7-го яруса
Кукуруза
Основание жилки
листьев 10-го яруса
10-11
10-11
Фаза вегетации или месяц ККС, %
Бутонизация—цвете- 12-14
ние—плодоношение
Формирование листьев
7
Рост корнеплода
8
До цветения
6-7
После цветения
6-10
Про&иикяше
Культура
Индикэториый орган
Время определения, ч Фаза аегетшмм ням месяц ккс.
к
Картофель и
томат
Морковь и
саекла сталоая
Яблоня
Вияогри
Роза эфиромят.,жмя пая
Листья у первой
цветочной киста
Лист» среднего
яруса
10-11
Лястм кашиток
Листья у нижней
грозди
11-15
10-11
Неодревешсишя
часть растущих
побегов
13-14
10-11
Весь перноа
яегетацин
Тоже
Июль—август
Июнь
Июль
Август
Др цветения
После цветения
Я,5-10
10
23-24
9.0
10,5
<2,0
7,0
9.5
М. Ф- Лобов (1957) для обоснования полива всех овощных
культур и картофеля предложил использовать единый 10%-ный
уровень концентрации клеточного сока при следующем принципе отбора листьев для определения: у капусты — листья 2-го
яруса, у томата и картофеля — листья первой цветочной кисти, у
перца и баклажанов —листья 5—8-го ярусов, у свеклы и моркови
— листья среднего яруса, у огурцов — 4—6-й лист от основания
стебля. Определение рекомендуют проводить в соке свежих
листьев в 10— И ч.
Снижение водного потенциала растительной ткани указывает
на необходимость проведения полива. Критические значения
водного потенциала для различных сортов хлопчатника
составляют —1560...-1800 кПа, для косточковых пород в мае—
июне и июле—августе — соответственно —1300 и —1500 кПа.
Разработан экспресс-метод установления срока полива плодовых культур по величине электрического сопротивления тканей
листа, поскольку она зависит от их оводненности и концентрации
клеточного сока и, таким образом, является показателем водного
дефицита. Полив семечковых пород необходимо проводить при
повышении электрического сопротивления до 1000 кОм, косточкоьых—до 1500 кОм. На основании датчиков скорости водного
тока в растении, разработанных в Агрофизическом институте
РАСХН, созданы технические системы для автоматического полива производственных насаждений плодовых и декоративных
культур. Таким образом, в настоящее время оптимизацию
водного режима можно провод ить с учетом физиологического
состояния самого растения, что повышает эффективность
использования воды.
В эффективном использовании воды растениями существенную роль играют удобрения, на что указывал еше Д. Н. Прянишников (1955). Даже такие почвы, которые в условиях богарного
земледелия не нуждаются в удобрениях, при орошении уже не в
состоянии обеспечить питательными веществами значительное
повышение урожайности. Оптимизация минерального питания в
условиях орошения снижает транспирационный коэффициент на 20—
30 %. В орошаемом земледелии удобрения—важнейший фактор
повышения не только урожая, но и его качества. Известно, что при
орошении наряду с увеличением урожайности часто снижаются
сахаристость плодов, корнеплодов сахарной свеклы, содержание
белка в зерне пшеницы. Однако, применяя минеральные удобрения,
можно добиться повышения качества урожая.
С физиологической точки зрения наиболее рациональны орошение дождеванием и мелкодисперсные увлажнительные поливы.
Частые поливы малыми порциями, соответствующими 20— 30 мм
осадков, позволяют поддерживать почву в равномерно увлажненном
состоянии, снижают в жаркие часы дня температуру воздуха и
растений, что обеспечивает благоприятный баланс газообмена и
высокую продуктивность растений.
4.11. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ВОДООБЕСПЕЧЕННОСТИ РАСТЕНИЙ
ПРИ ПРОГРАММИРОВАНИИ УРОЖАЕВ
На большей части территории России величина действительно
возможного урожая (ДВУ) в основном определяется влагообеспеченностью. Годовые осадки не полностью используются растениями:
часть из них стекает с талыми водами, испаряется с поверхности
почвы, а также стекает во время ливневых осадков с полей, имеющих
значительный уклон. По обобщенным данным, использование
годовых осадков на различных по гранулометрическому составу
почвах колеблется от 42 (на песчаных почвах) до 88 % (на
торфяниках). Следует отметить, что на нижней трети склона
содержание влаги в почве на 30 % выше, чем на возвышенных полях.
Такими же условиями влагообеспеченности обладают и пойменные
земли. Возможная урожайность абсолютно сухой биомассы, т/га, при
определенной влагообеспеченности
у_ 100 • W
Kw ’
где JT— ресурсы продуктивной влаги, мм; Кк — коэффициент недопотребления, (мм-га)/т.
Коэффициент водопотребления, как было сказано, является
специфичным для каждой культуры и меняется в зависимости от
уровня почвенного плодородия и климатических условий. В определенных пределах справедливо утверждение, что растение затрачивает на создание сухого вещества тем меньше воды, чем полнее
удовлетворяются его потребности в других факторах жизнеобеспечения. Чем ниже уровень агротехники и почвенного
плодородия, тем коэффициент водопотребления выше.
М. К. Каюмов (1986) рекомендует в качестве ориентировочных
использовать следующие коэффициенты водопотребления (м3/т): для
озимой пшеницы, ржи, ячменя, овса, картофеля — 350—400, для
кормовой свеклы, моркови, капусты, кукурузы, вико-овсяной смеси
на зеленый корм — 300—400, для многолетних трав на сено — 500—
700. Для суглинистых почв Московской области при содержании
продуктивной влаги 400—450 мм расчетная возможная урожайность
озимой пшеницы составляет 5,0—5,5 т/га, ячменя — 5,5—6,0,
картофеля 30,0—35,0 т/га, при содержании продуктивной влаги 350—
410 мм — соответственно 4,3—4,9; 4,8—5,3; 26,0—31,0 т/га. Такая
урожайность в северных районах области может быть получена в
течение восьми-девяти лет, в центральных — шести-семи лет из
десяти. Остальные годы бывают засушливыми, когда без орошения
бывает трудно достичь уровень возможной урожайности.
Часто более достоверные данные по урожайности получаются,
когда продуктивная влага определяется как запас доступной для
растений влаги в метровом слое почвы в период посева или
возобновления вегетации озимых и многолетних культур плюс
эффективно используемые осадки за вегетационный период.
Продуктивная влага
W — Wo + 0,8 • Ос,
где Wb — запас продуктивной влаги в период посева; Ос — количество осадков за
вегетацию.
Существует тесная связь между приходом фотосинтетически
активной радиации, коэффициентом скрытой теплоты испарения и
необходимым количеством воды для получения соответствующего
урожая. Эта связь также может быть использована для расчета
величины возможной урожайности, количества продуктивной влаги,
необходимого для формирования заданного урожая, и оросительной
нормы. Математическое выражение взаимосвязи солнечной энергии,
влаго- и теплообеспеченности выражено в формуле А. М. Рябчикова:
г WT
р
362?’
где Кр — биогидротермический потенциал продуктивности, баллы; W — продуктивная
влага, мм; Т — период вегетации, декада; 36 — число декад в году; R — радиационный
баланс, или суммарная ФАР за период вегетации культуры, кДж/см2.
Например, в Подмосковье при Л = 25,5, И7 = 420 и Т = 10 Кр = 4,5 балла.
Каждый балл продуктивности соответствует в среднем 2 т/ra абсодпотно сухой биомассы
(3), и К, пересчитывается в биологический урожай по формуле
Убиол -
= 2 т/га - 4,5 = 9 т/га.
Есш принять, что в обшей биомассе зерно составляет примерно 1/3, то возможный
урожай сухого зерна 3 т/га или при стандартной влажности И % — 3,42 т/га.
Величины возможной урожайности, рассчитанные по приведенным формулам, различаются незначительно (на 0,1—0,2 т/га).
Сопоставление прихода суммарной радиации с наличием
влаги в почве за вегетационный период имеет большое практическое значение, так как затраты теплоты на испарение играют
основную роль в расходной части теплового баланса. При большой солнечной радиации и оптимальном увлажнении растения
развиваются лучше, чем там, гае влаги много, но незначительное
количество солнечной радиации.
Практическое значение имеют также прогнозы урожайности,
учитывающие состояние посева (густоту, площадь листовой поверхности, число продуктивных побегов и т. д.) и лимитирующие
метеорологические факторы. Методом биологического контроля
выяснено, что на формирование урожайности зерновых культур
влияют запасы продуктивной влаги и температура воздуха уже на
III—IV этапах органогенеза, когда происходит закладка колосков
в колосе (фенофаза кущение—начало выхода в трубку), а число
зерен в колосе при одинаковом количестве колосков зависит от
нлагообеспеченности V—VI этапов органогенеза (выход в
трубку—начало стеблевания). Поэтому при выборе исходных
параметров следует учитывать влияние метеорологических
факторов по этапам органогенеза.
Например, метол прогноза
урожайности кукурузы, разработанный Ю. И. Чирковым
(1986), основан на учете связи
урожайности кукурузы с запасами продуктивной влаги в
почве и с площадью листовой
поверхности посева, выражающей
фотосинтетический
потенциал, т. е. возможность
посева использовать для формирования урожая солнечную
радиацию.
В
уравнение
включены
площадь листовой поверхности
Рис. 84. Заввсннветь у^вжЫивостж эерва
KfKjfysu (У) от дождем яжддцктжаяй жжжж S (тыс. м2/га); запасы про<И) в слое иочм! —50 ем ж вложив мюиэ
дуктивной влаги W (мм) в слое
(5) (Ю. И. 1984)
почвы 0—50 см в фазе выметывания метелки; температура воздуха
(°C) в период формирования элементов продуктивности початка на
IV—V этапах органогенеза, которую обычно берут по материалам
наблюдений; температура воздуха t2 (°C) в течение месяца после
выметывания метелки, когда происходят цветение, оплодотворение и
налив зерна (она устанавливается по прогнозу).
Графически система уравнений для различных площадей листовой поверхности посева в фазе выметывания метелки представлена
кривыми параболы второго порядка (рис.86). В уравнении для
Нечерноземной зоны, где ресурсы тепла ограничены, учитывается
также сумма эффективных температур выше 10 °C.
Влагообеспеченность растений и приход солнечной радиации в
значительной степени определяют не только величину, но и качество
урожая. Это дает возможность составлять прогностические уравнения
для расчета сахаристости сахарной свеклы и сочных плодов
(влагообеспеченность и приход радиации), маслич- ности семян
подсолнечника (условия увлажнения и температура), содержания
белка и клейковины в зерне (запасы продуктивной влаги, влажность
воздуха в период от начала активной вегетации озимых до колошения,
температура воздуха). Жаркая сухая погода способствует повышению
качества зерна.
В настоящее время проводится интенсивная работа по созданию
динамических моделей формирования урожайности, которые дают
возможность ежедекадно рассчитывать биологический урожай и
динамику нарастания биомассы на основании данных о влагозапасах
почвы, состоянии посева и погодных условий. Схема расчета
урожайности и других показателей реализована в виде программы на
ЭВМ. Модели формирования урожая могут быть использованы в
селекционной работе, для оценки продуктивности новых сортов и
гибридов при их внедрении в различные почвенно-климатические
зоны, для оптимизации условий выращивания сельскохозяйственных
растений.
Контрольные вопросы и задания
1. В чем отличие механизмов поглощения воды набухающим семенем и проростком?
2. Как объяснить сходное влияние на поглощение воды растением почвенной засухи и
засоленности почвы? 3. Какие условия создают физиологическую сухость почвы? 4.
Перенос растений, выращиваемых в водной культуре, на более концентрированный
раствор может вызывать временное завядание, затем тургесцентность восстанавливается.
Как объяснить это явление? 5. В каком случае интенсивность транспирации больше — у
обособленного растения или у такого же растения в густом посеве? Обоснуйте свой ответ.
6. Каковы средние величины сезонного водопотребления сельскохозяйственных культур?
7. Назовите критические периоды в жизни плодовых и зерновых культур по отношению к
влаге. 8. Какие физиологические показатели наиболее точно определяют необходимость
полива?
Глава 5
МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ
•
5.1. НЕОБХОДИМЫЕ РАСТЕНИЮ ЭЛЕМЕНТЫ
МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ
Минеральное питание — столь же уникальное свойство растения,
как и фотосинтез. Именно эти две функции лежат в основе
автотрофности растительного организма, т. е. способности строить
свое тело из неорганических веществ. Причем управление корневым
питанием растений значительно легче, чем регулирование
воздушного питания — усвоения COj. Поэтому минеральное питание
издавна привлекает внимание физиологов и постоянно находится в
поле зрения агрономов.
Более столетия назад физиологи, пытаясь вырастить растения без
почвы в водных растворах солей, установили, какие химические
элементы, в каких формах и в каком количестве нужны растениям для
нормального развития. На основе этих исследований началось
производство удобрений, без которых в настоящее время земледелие
немыслимо.
Современные представления о питании растений основываются на
работах многих ученых, в том числе таких крупных русских
исследователей, как Д. А. Сабинин и Д. Н. Прянишников. Д. А.
Сабинин создал школу физиологов минерального питания в нашей
стране, внес большой вклад в изучение поглотительной деятельности
корня и создание концепции круговорота веществ в растении.
Большое значение минеральным удобрениям придавал Д. Н.
Прянишников — основоположник агрохимии в России. Его научные
труды о корневом питании растений и удобрениях положены в основу
химизации сельского хозяйства.
5.1.1.
СОДЕРЖАНИЕ И НЕОБХОДИМОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ
Растения способны поглощать из окружающей среды практически
все элементы Периодической системы Д. И. Менделеева. Причем
многие рассеянные в земной коре элементы накапливаются в
растениях в значительных количествах и включаются в природный
круговорот веществ, в частности в круговорот редких элементов.
Однако для нормальной жизнедеятельности самого растительного
организма требуется лишь небольшая группа элементов.
Питательными веществами называются вещества, необходимые
для жизни организма. Элемент считается необходимым,
если его отсутствие не позволяет растению завершить свой жизненный
цикл; недостаток элемента вызывает специфические нарушения
жизнедеятельности растения, предотвращаемые или устраняемые
внесением этого элемента; элемент непосредственно участвует в
процессах превращения веществ и энергии, а не действует на растение
косвенно.
Необходимость элементов можно установить только при выращивании растений на искусственных питательных средах — в
водных и песчаных культурах. Для этого используют дистиллированную воду или химически чистый кварцевый песок, химически
чистые соли, химически стойкие сосуды и посуду для приготовления
и хранения растворов.
Точнейшими вегетационными опытами установлено, что к
необходимым для высших растений элементам (кроме 45 % углерода,
6,5 % водорода и 42 % кислорода, усвояемых в процессе воздушного
питания) относятся следующие:
макроэлементы, содержание которых колеблется от десятков до
сотых долей процента: N, Р, S, К, Са, Mg;
микроэлементы, содержание которых колеблется от тысячных до
стотысячных долей процента: Fe, Мп, Си, Zn, В, Мо.
Для нормального роста и развития некоторых растений необходимы также Со, Na, Si, Cl. Например, кобальт требуется бобовым
культурам для симбиотической фиксации азота. Натрий поглощается
в относительно высоких количествах свеклой и необходим растениям,
приспособленным к засоленным почвам. Кремний в больших
количествах встречается в соломине злаков и необходим для риса.
Четыре элемента — С, О, Н, N, называемые органогенами,
составляют 95 % сухой массы растительных тканей, 5 % приходится
на зольные вещества. Так называют входящие в растение минеральные
элементы, содержание которых обычно определяют в тканях после
сжигания органического вещества растений. Содержание золы зависит
от вида и органа растений, условий выращивания. В семенах
содержание золы составляет в среднем 3 %, в корнях и стеблях —4—
5, в листьях — 5—15 %. Меньше всего золы в мертвых клетках
древесины (около 1 %). Как правило, чем богаче почва и чем суше
климат, тем больше в растениях содержание зольных элементов.
5.1.2.
МАКРОЭЛЕМЕНТЫ, ИХ УСВОЯЕМЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, РОЛЬ
И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАРУШЕНИЯ ПРИ НЕДОСТАТКЕ В РАСТЕНИИ
Азот. Составляет около 1,5 % сухой массы растений. Он входит в
состав белков, нуклеиновых кислот, липоидных компонентов
мембран, фотосинтетических пигментов, витаминов и других
жизненно важных соединений.
Основными усвояемыми формами азота являются ионы нит'lOI
рата и аммония. Высшие растения способны также усваивать
нитриты и водорастворимые азотсодержащие органические соединения (аминокислоты, амиды, полипептиды и др.). Но в естественных условиях эти соединения редко бывают источником
питания, поскольку их содержание в почве, как правило, очень мало.
Недостаток азота тормозит рост растений. Это выражается не
только в низкорослости и слабом кущении, но и в появлении признаков
ксероморфизма, как и при недостатке воды. Наблюдается
мелколистность, перегиб кривой ярусной изменчивости размеров
листа наступает раньше. Одновременно снижается ветвление корней,
но соотношение массы корней и надземной системы может
увеличиваться.
Это
приводит
к
уменьшению
площади
фотосинтетического аппарата и сокращению периода вегетативного
роста, что снижает фотосинтетический потенциал и продуктивность
посева.
Недостаток азота вызывает также серьезные нарушения энергетического обмена. Растения хуже используют световую энергию, так
как снижается интенсивность фотосинтеза, раньше наступает световое
насыщение, а компенсационная точка находится при более высокой
интенсивности света. Интенсивность дыхания может возрастать, но
уменьшаются сопряженность окисления с фосфорилированием и
выработка АТФ. Кроме того, энергетические затраты на поддержание
структуры цитоплазмы возрастают. Все это также приводит к
снижению урожая.
И наконец, азотное голодание влияет на водный режим рас-, тений.
Недостаток азота снижает водоудерживающую способность
растительных тканей, так как уменьшает количество коллоидно
связанной воды. У растений снижается возможность вне- устьичного
регулирования транспирации и водоотдача возрастает. Поэтому
низкий уровень азотного питания не только снижает урожай, но и
уменьшает эффективность использования воды посевом.
Фосфор. Содержание его составляет 0,2—1,2 % сухой массы
растения. В отличие от азота фосфор поглощается и функционирует в
растении только в окисленной форме — в виде остатков
ортофосфорной кислоты. Собственно весь фосфорный обмен сводится
лишь к присоединению или переносу остатка фосфорной кислоты
(фосфорилирование и трансфосфорилирование).
Фосфорилирование — это присоединение остатка фосфорной
кислоты к какому-либо органическому соединению с образованием
эфирной связи, например фосфорилирование глюкозы, фруктозо-6фосфата в гликолизе.
Трансфосфорилирование — это процесс, при котором остаток
фосфорной кислоты, включенный в состав одного органического
вещества, переносится на другое органическое вещество.
Несмотря на относительную простоту фосфорного обмена,
ЛОЛ значение образующихся при этом фосфорорганических
соединений огромно. Фосфор — обязательный компонент таких
важнейших соединений, как нуклеиновые кислоты,
фосфопротеиды, фосфолипиды, фосфорные эфиры, сахара,
нуклеотиды, принимающих участие в энергетическом обмене
(АТФ, НАД, ФАД и др.), витаминов. Поэтому недостаток фосфора
вызывает серьезные нарушения биосинтетических процессов,
функционирования мембран, энергетического обмена. При
недостатке фосфора корневая система буреет, слабо развивается,
корневые волоски отмирают. Приостанавливается рост растений,
задерживается созревание плодов.
Сера. Содержание серы в растительных тканях —0,2—1,0 %
сухой массы. Сера, как и фосфор, поступает в растение в окисленной форме, в виде аниона SO~, но на эгтом сходство заканчивается.
В органические соединения сера входит только в восстановленной
форме — в составе сульфгидрильных групп (—SH) и дисульфидных связей(—S—S—). Восстановление сульфата происходит преимущественно в листьях. Восстановленная сера может
вновь переходить в окисленную функционально неактивную
форму. В молодых листьях сера в основном находится в составе
органических соединений, а в старых накапливается в вакуолях в
виде сульфата кальция.
Сера принимает активное участие в многочисленных реакциях
обмена веществ. Почти все белки содержат серосодержащие
аминокислоты — метионин, цистеин, цистин. Важнейшие функции серы в белках — участие SH-групп и —S—S-связей в стабилизации трехмерной структуры белков и образование связей с
коферментами и простатическими группами. Сочетание метильной и SH-труппы обусловливает широкое участие метионина в
образовании активных центров ферментов. С этой аминокислоты
начинается синтез всех полипептидных цепей.
Другая важнейшая функция серы в растительном организме,
основанная на обратимом переходе 2(—SH) ~=. —HS—SH—,
состоит в поддержании определенного уровня окислительновосстановительного потенциала в клетке, необходимого для
нормального функционирования всех ферментных систем. К
серосодержащим окислительно-восстановительным системам
клетки относятся система цистеин ~ цистин и система глутатиона.
Глутатион является трипептидом, состоящим из трех остатков
аминокислот: глутаминовой, цистина или цистеина и глицина.
Его окислительно-восстановительные превращения связаны с
переходом —S—S-групп цистина в — SH-группы цистеина (GS—
SG2GSH). Освобождение или связывание водорода происходит в
зависимости от преобладающих метаболических условий в клетке
и при взаимодействии с тиоловыми группами ферментов.
Сера является также компонентом важнейших биологических
лол
соединений — коэнзима А (СоА—SH) и витаминов (тиамина, липоевой кислоты, биотина), играющих важную роль в дыхании и
липидном обмене. Кофермент А поставляет ацетильный остаток
(СНзСО-SKoA) в цикл Кребса или для биосинтеза жирных кислот,
сукцинильный остаток для биосинтеза порфиринов. Причем в составе
этих комплексов сера образует макроэргическую связь, что
значительно повышает реакционную способность соединения.
Липоевая кислота и тиамин входят в состав липотиаминди- фосфата
(ЛТДФ), участвующего в окислительном декарбоксилировании
пировиноградной и а-кетоглютаровой кислот.
Многие виды растений в малых количествах содержат летучие
соединения серы. Например, сульфоксиды входят в состав фитонцидов
лука и чеснока. Представители семейства Крестоцветные синтезируют
серосодержащие горчичные масла.
Недостаточное снабжение растений серой тормозит белковый
синтез, снижает фотосинтез и скорость роста растений, особенно
надземной части.
Калий. Содержание калия в растениях составляет около 1 % в
расчете на сухую массу. В растительных тканях его гораздо больше,
чем других катионов. Содержание калия в растениях в 100— 1000 раз
превосходит его уровень во внешней среде. Поступает калий в
растение в виде катиона К+. Калий не входит ни в одно органическое
соединение. В клетках он присутствует в основном в ионной форме и
легкоподвижен. В наибольшем количестве калий сосредоточен в
молодых растущих тканях, характеризующихся высоким уровнем
обмена веществ.
Известно участие калия в регуляции вязкости цитоплазмы, в
повышении гидратации ее коллоидов и водоудерживающей способности. Калий служит основным противоионом для нейтрализации
отрицательных зарядов неорганических и органических анионов.
Высокая подвижность калия создает ионную асимметрию и разность
электрических потенциалов на мембране, т. е. обеспечивает генерацию
биотоков в растении.
Калий составляет основную часть катионов клеточного сока и
принимает активное участие в осморегуляции. Важное значение имеет
транспорт калия при открывании и закрывании устьиц.
Транспорт углеводов в растении также связан с перераспределением калия. Установлено, что высокий уровень сахара в зрелых
ягодах винограда коррелирует с накоплением значительных количеств
калия и органических кислот в соке незрелых ягод и с последующим
выходом калия при созревании. Под влиянием калия увеличивается
накопление крахмала в клубнях картофеля, сахарозы в сахарной
свекле, моносахаридов в плодах и овощах, целлюлозы, гемицеллюлоз
и пектиновых веществ в клеточных стенках растений. В результате
повышается устойчивость злаков к полеганию, к грибным и
бактериальным заболеваниям.
2R4
Калий является активатором многих ферментных систем. Он
необходим для включения фосфата в органические соединения,
синтеза белков, полисахаридов и рибофлавина — компонента
флавиновых дегидрогеназ.
Снабжение калием особенно важно для молодых, активно
растущих органов и тканей. При дефиците калия снижается
функционирование камбия, нарушаются процессы деления и
растяжения клеток, развитие сосудистых тканей, уменьшается
толщина клеточной стенки эпидермиса. В результате укорачивания
междоузлий могут образоваться розеточные формы растений.
Недостаток калия снижает продуктивность фотосинтеза прежде всего
за счет уменьшения оттока ассимилятов из листьев.
Кальций. Входит в состав растений в количестве 0,2 % сухого
вещества. Поступает в растение в виде иона Са2+. Кальций накапливается в старых органах и тканях. При снижении физиологической активности клеток кальций из цитоплазмы перемещается в
вакуоль и откладывается в виде нерастворимых соединений
щавелевой, лимонной и других кислот. Это значительно снижает
подвижность кальция в растении.
В клетках большое количество кальция связано с пектиновыми
веществами клеточной стенки и срединной пластинки. При недостатке
кальция клеточные стенки ослизняются.
Важная роль принадлежит ионам кальция в стабилизации
структуры мембран, регуляции ионных потоков и биоэлектрических
явлениях. Его относительно много содержится в митохондриях,
хлоропластах и ядрах, а также в комплексах с биополимерами
пограничных мембран клетки. Большая часть катионообменной
поверхности корня занята кальцием. Кальций наряду с протоном
водорода принимает активное участие в первичных механизмах
поступления ионов в клетки корня. Ограничивая поступление других
ионов в растения, кальций способствует устранению токсичности
избыточных концентраций ионов аммония, алюминия, марганца,
железа, повышает устойчивость к засолению, снижает кислотность
почвы.
В цитозоле концентрация кальция низкая (10 7—10 6 моль/г),
однако его функции очень многообразны и важны. Локальное
изменение концентрации Са2+ в цитозоле приводит к структурной
перестройке актомиозиноподобных белков, участвующих в процессах
движения цитоплазмы, обратимых изменениях ее вязкости, в
пространственной организации цитоплазматических ферментных
систем, например гликолиза. Уровнем ионов Са2+ регулируются
процессы сборки-разборки микротрубочек, секреции компонентов
клеточной стенки с участием везикул Гольджи.
Кальций активирует ряд ферментных систем клетки, например
дегидрогеназы, амилазы, фосфатазы, киназы, липазы. Его действие
основано на участии в образовании четвертичной структуры белка,
создании мостиков в фермент-субстратных комплексах, влиянии на
состояние аллостерических центров.
Установлено, что регуляторное действие кальция на многие
стороны метаболизма связано с функционированием специфического белка — кальмодулина. Это кислый (pH ИЭТ 3,0—4,3)
термостабильный низкомолекулярный белок (148 аминокислотных остатков). Комплекс белка с кальцием активирует многие
ферментные системы: протеиикиназы, транспортную Са-АТФазу, АТФ-азу актомиозина. С участием кальмодулина
регулируется
концентрация
внутриклеточного
кальция.
Комплекс Са-каль- модулин контролирует сборку микротрубочек
веретена, образование цитоскелета клетки и формирование
клеточной стенки.
При недостатке кальция в первую очередь страдают меристематические ткани и корневая система. У делящихся клеток не
образуются клеточные стенки, в результате возникают многоядерные клетки. Прекращается образование боковых корней и
корневых волосков. Недостаток кальция вызывает также набухание пектиновых веществ, что приводит к ослизнению клеточных
стенок и загниванию растительных тканей.
Магний. Содержание магния в растительных тканях составляет около 0,2 % сухой массы. Особенно много магния в молодых
растущих частях растения, а также в генеративных органах и
запасающих тканях. Магний поступает в растение в виде иона
Mg2* и в отличие от кальция обладает сравнительно высокой
подвижностью. Легкая подвижность Mg2* объясняется тем, что
почти 70 % этого катиона в растениях связано с анионами органических и неорганических кислот. Около 10—12 % магния входит в состав хлорофилла.Магний является активатором ряда ферментных систем: РДФкарбоксилазы, фосфокиназ, АТФ-аз, енолаз, ферментов цикла
Кребса, пентозофосфатного пути, спиртового и молочнокислого
брожения. Магний также активирует процессы транспорта электронов при фотофосфорилировании. Mg2* необходим для фор*
мирования рибосом и полисом, для активации аминокислот и
синтеза белков. Он активирует ДНК- и РНК-полимеразы, участвует в образовании определенной пространственной структуры
нуклеиновых кислот.
Магний усиливает синтез эфирных масел, каучуков. Образуя
комплексное соединение с аскорбиновой кислотой, он предотвращает ее окисление. Недостаток магния приводит к нарушению
фосфорного, белкового и углеводного обменов. При магниевом
голодании нарушается формирование пластид: граны слипаются,
разрываются ламсдлы стромы, просветляется матрикс
хлоропластов. Впоследствии развиваются хлороз и некроз листьев.
Железо. Входит в состав растения в количестве 0,08 %. Поступает в растение в виде Fe . Роль железа в большинстве случаев
связана с его способностью к обратимым окислительно-восстановительным превращениям
и участию в транспорте электронов. •
Железо входит в состав участников ЭТЦ фотосинтетического и
окислительного фосфорилирования (цитохромов, ферредоксина),
является компонентом ряда оксидаз (цитохромоксидазы, каталазы,
пероксидазы).
Кроме того, железо является составной частью ферментов,
катализирующих синтез предшественников хлорофилла (аминолевулиновой кислоты и протопорфиринов). Поэтому недостаток
железа вызывает глубокий хлороз в развивающихся листьях, которые
могут быть совершенно белыми, и тормозит два важнейших процесса
энергообмена растения — фотосинтез и дыхание
Растения могут включать железо в запасные вещества. В этом
отношении интересен содержащийся в пластидах ферритин — белок,
который содержит железо в негеминной форме. На долю железа может
приходиться до 23 % сухой массы ферритина.
5.1.3.
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ, ИХ УСВОЯЕМЫЕ ФОРМЫ, РОЛЬ
И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАРУШЕНИЯ ПРИ НЕДОСТАТКЕ В РАСТЕНИИ
Микроэлементы относятся к группе незаменимых питательных
элементов, содержание которых в растительных тканях измеряется
тысячными и стотысячными долями процента. Несмотря на то что
ми!фоэлементы требуются в очень малых количествах, в их
Отсутствие нормальная жизнедеятельность становится невозможной.
Недостаток микроэлементов вызывает серьезные физиологические
расстройства и нередко приводит к гибели растений уже в раннем
возрасте. Объясняется это тем, что микроэлементы главным образом
функционируют в регуляторных системах клетки. Они выступают в
качестве простетических групп ферментов или кофакторов —
активаторов ферментов.
Медь. Поступает в растение в виде иона Си2 . В основе ее
функционирования лежит способность к обратимым окислительновосстановительным превращениям
2+ +ё +
Си Си.
—е
Она входит непосредственно в состав ряда ферментных систем,
относящихся к группе оксидаз, таких, как полифенолокси- даза,
аскорбатоксидаза, тирозиназы. Два атома меди функционируют в
цитохромоксидазном комплексе дыхательной цепи митохондрий.
Большая часть меди (75 % всего содержания в листе) концентрируется в хлоропластах. Здесь сосредоточен медьсодержащий
белок синего цвета — пластоцианин, осуществляющий перенос
электронов между ФСП и ФС1.
007
Кроме того, • медь активирует ряд ферментов, в частности
нитратредуктазу, а также протеазы, т. е. играет определенную роль в
азотном обмене. Необходимо отметить также участие меди в
гормональной регуляции в растении. Медьсодержащий фермент
полифенолоксидаза регулирует содержание и активность в растениях
ауксинов и ингибиторов роста фенольной природы. Это лежит в
основе способности меди повышать устойчивость растений к
полеганию и неблагоприятным условиям среды.
Недостаток меди вызывает задержку роста и цветения. У плодовых
культур при остром дефиците меди наблюдается суховершинность.
Марганец. Он поступает в растение в виде ионов Мп3+. Марганец
активирует ферменты, катализирующие реакции цикла Кребса
(дегидрогеназы яблочной и лимонной кислот), а также участвующие в
окислении важнейшего фитогормона — ауксина (индолилуксусной
кислоты).
Марганец принимает участие в процессе восстановления нитратов
до аммиака, в связи с чем растения, испытывающие недостаток
марганца, не могут использовать нитраты в качестве источника
азотного питания.
Марганец необходим для нормального протекания фотосинтеза, он
участвует в этом процессе на этапе разложения воды и выделения
кислорода (фотолиз воды), а также восстановления СО2. Марганец
способствует оттоку сахаров из листьев.
Этот элемент играет специфическую роль в поддержании
структуры хлоропластов. В отсутствие марганца хлорофилл быстро
разрушается на свету.
Марганец является кофактором РНК-полимеразы, ответственной за
синтез мРНК в ядре, и ауксиноксидазы — ферментативного
комплекса, разрушающего ИУК, поэтому он очень важен для ростовых
процессов.
Установлено также влияние марганца на поступление веществ в
растение. При исключении марганца из питательной среды в тканях
растений возрастает уровень основных элементов минерального
питания, нарушается их соотношение.
‘ Особенно чувствительны к недостатку марганца злаковые,
корнеплоды, картофель.
Цинк. Поступает в растение в виде иона Zn. Цинк входит в состав
фермента карбоангидразы, катализирующей гидратацию СО2 в
Н2СО3. Н2СО3—СО2 + Н2О. Этот фермент играет важную роль в
поддержании запасов СО2 для фотосинтеза.
В качестве кофактора Zn участвует в синтезе растительного
гормона — ауксина (ИУК). Это связано с тем, что цинк, повышая активность триптофансинтетазы, влияет на синтез аминокислоты
триптофана — предшественника ауксина. Недостаток цинка приводит
к резкому торможению роста и формирования побегов, растения
приобретают розеточные формы. Zn также выступает в качестве
активатора ряда ферментов гликолиза (гек- сокиназы, альдолазы,
триозофосфатдегидрогеназы)
и
пентозофосфатного
пути
(дегидрогеназ глюкозо-6-фосфата и фосфоглюконата).
При дефиците цинка в растениях накапливаются редуцирующие
сахара и уменьшается содержание сахарозы и крахмала, увеличивается
количество органических кислот и небелковых соединений азота —
свободных аминокислот и амидов. При недостатке цинка в растениях
нарушается также фосфорный обмен: включение фосфора в
органические соединения и замедление его транспорта из корней в
надземную часть.
К недостатку цинка особенно чувствительны плодовые деревья.
Наиболее характерный признак голодания — задержка роста
междоузлий и листьев, развитие розеточности и мелколистное™.
Молибден. Поступает в растение в виде аниона МоО- и
концентрируется в молодых растущих частях. Молибден играет особо
важную роль в азотном обмене растений. Это связано с тем, что он
входит в активный центр фермента, восстанавливающего нитраты, —
нитратредуктазу, а также является компонентом активного центра
нитрогеназы бактероидов, фиксирующих атмосферный азот в
клубеньках бобовых. Как металл-активатор молибден необходим в
реакциях аминирования и переаминирова- ния, для включения
аминокислот в пептидную цепь, функционирования различных
фосфатаз. Он оказывает влияние на уровень накопления аскорбиновой
кислоты.
При дефиците молибдена рост растений тормозится. Особенно
чувствительны к недостатку молибдена бобовые и овощные культуры.
Бор. Поступает в растение в виде аниона борной кислоты. Это один
из наиболее важных микроэлементов, особенно для двудольных
растений. При его недостатке нарушаются синтез, превращение и
транспорт углеводов, формирование репродуктивных органов,
происходят гибель меристематических клеток и деградация
проводящей системы растений. Пока еще не установлены механизмы
действия бора и ферментные системы, в деятельности которых он
участвует. Согласно концепции М. Я. Школьника (1971), бор имеет
специфическое значение для растения благодаря своей уникальной
роли в фенольном обмене. Предполагается, что при недостатке бора в
клетках
двудольных растений накапливаются фенолы
и
супероптимальные концентрации ауксинов, что нарушает синтез
нуклеиновых кислот и белков; затем нарушаются ритм деления клеток
и структура клеточных стенок, появляются уродливые изменения в
формирующихся листьях конуса нарастания. На заключительной
стадии борного голодания под действием полифенолоксидаз в клетке
накапливаются токсичные хиноны, которые приводят к отмиранию
конусов нарастания.
5.1.4.
ДИАГНОСТИКА ДЕФИЦИТА ПИТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Для повышения продуктивности сельскохозяйственных посевов
необходимо создать оптимальные условия питания растений и
контролировать их в течение вегетации. Существует несколько
причин, обусловливающих недостаток или избыток элементов
питания в почве: недостаточное внесение одного или нескольких
питательных веществ с удобрениями; одностороннее применение
удобрений (особенно азотных); свойства почвы, препятствующие
поступлению питательных веществ в растения; возделывание интенсивных сортов, обладающих повышенной потребностью в питательных элементах; неравномерность поглощения веществ растениями на протяжении онтогенеза и др.
Корректировка питания должна проводиться на протяжении всей
вегетации, особенно на ранних этапах развития растений.
Диагностику питания растений подразделяют на почвенную и
растительную. Почвенная диагностика проводится путем агрохимического анализа почвы и сопоставления полученных данных с
установленными нормативами. Однако анализ почвы не всегда
достаточен для определения обеспеченности растений минеральным
питанием из-за сложности взаимосвязей элементов, физикохимических и других свойств почвы. Кроме того, потребность
растения зависит от многих факторов среды: освещенности, температуры, снабжения водой. Поэтому для получения более объективной информации об обеспеченности растений минеральным
питанием наряду с почвенной проводят растительную диагностику.
В. В. Церлинг дает следующую классификацию методов растительной диагностики.
1. Визуальная диагностика — определение нарушения питания по
внешнему виду растений.
2. Метод инъекции или опрыскивания. Используют главным
образом для диагностики питания микроэлементами.
3. Морфобиометрическая диагностика по приросту массы, числу и
размерам органов, величине и структуре урожая.
4. Химическая диагностика — химический анализ растений по
фазам их развития.
Остановимся подробнее на визуальной диагностике. В основе ее
лежит наблюдение за изменением окраски, появлением на листьях и
стеблях пятен, полос, некрозов тканей и отклонениями в анатомии и
морфологии растений. Характерное для определенной культуры
проявление дефицита или избытка каждого элемента достаточно
специфично. Однако надо учитывать, что такие же проявления могут
быть вызваны заболеваниями растений, другими неблагоприятными
воздействиями. Например, очень похожими по внешнему виду могут
быть признаки недостатка азота и воды; у картофеля повреждения,
вызванные фитофторой, могут быть приписаны недостатку калия; у
капусты повреждения килой и личинкой капустной мухи могут
проявиться в лиловом оттенке листьев, похожем на признаки
недостатка фосфора. Опрыскивание листьев пестицидами может
вызвать краевые ожоги или появление бурых пятен, свойственных
недостатку калия или кальция.
Сложность визуальной диагностики состоит также в том, что
нередко наблюдается проявление признаков недостатка или избытка
не одного, а двух или нескольких элементов питания одновременно.
Так, у картофеля на сильнокислых супесчаных почвах часто
наблюдают совместное проявление признаков недостатка магния и
вредного действия марганца. Кроме того, признаки голодания могут
появляться, исчезать и снова возобновляться. Это зависит от погодных
условий, проникновения корней в глубокие слои почвы и изменения
потребностей растений в отдельных элементах питания в процессе их
роста и развития.
Существенным недостатком листовой диагностики является
появление внешних признаков лишь при значительном голода- • нии в
отношении того или иного элемента. Но надо иметь в виду, что
признаки голодания обычно появляются сначала у одиночных
растений и лишь постепенно распространяются на весь посев или
насаждение. Поэтому систематический внимательный осмотр
растений позволяет использовать результат наблюдений не только для
корректировки применения удобрений на данном участке в
последующие годы, но и в ряде случаев исправить ситуацию с
помощью подкормки.
При визуальной диагностике прежде всего следует установить,
внешний вид каких частей растения нарушен. Элементы питания по их
подвижности внутри растения делят на две группы: реути- лизируемые
и нереутилизируемые. При недостатке реутилизиру- емых элементов
они оттекают из ранее образовавшихся частей растений в молодые,
формирующиеся, более активно поглощающие питательные вещества
органы. К таким элементам относят N, К, Р, Mg. Поэтому их
недостаток прежде всего и ярче всего проявляется на закончивших
рост листьях. Недостаток остальных элементов (Са, Fe, S и всех
микроэлементов), нереутилизируе- мых или слабореутилизируемых,
отражается на самых молодых растущих частях растений. Так, очень
близкие по внешнему виду хлорозы при недостатке азота проявляются
на листьях нижнего яруса, а при недостатке железа — в верхнем, более
молодом ярусе. Побурение и отмирание тканей по краям листа
(краевой ожог) при недостатке калия наблюдаются сначала на более
старых листьях, а при недостатке кальция — на молодых.
При избытке все элементы накапливаются в уже сформированных
органах, и поэтому изменения их внешнего вида свидетельствуют о
токсичности элемента.
5.2. ПОГЛОЩЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ
Корневая система растений поглощает из почвы как воду, так и
питательные вещества. Оба эти процесса взаимосвязаны, но
осуществляются на основе разных механизмов. Многочисленные
исследования показали, что почти никогда раствор питательных солей
не поступает в растение в неизменной концентрации. Из очень
разбавленных растворов соли поглощаются быстрее, чем вода, и
раствор
становится
еще
более
слабым.
Наоборот,
из
концентрированных растворов растение берет больше воды, чем
солей, и раствор становится еще более концентрированным.
Растения поглощают вещества избирательно, в результате соотношение поглощенных веществ обычно оказывается иным, чем в
питательном растворе (табл. 20). В тканях актинидии китайской
концентрация фосфора в несколько тысяч раз, а калия и азота в десятки
раз превышает содержание этого элемента в почвенном растворе.
20. Сравнительное содержание элементов в тканях Actinidia chinensis и
почвенном растворе (по В. В. Палевому, 1989)
Показатель
|
N
К
1 Р 1
Са
|
Mg
Ткани
170
80
9
28
14
Почвенный раствор
1-3
1-2
0,0005-0,002
0,5-1,5
2-4
Примечание. Содержание элементов в тканях — в ммоль/кг сырой массы плодов и листьев,
в почвенном растворе — в ммоль/л.
Эти данные свидетельствуют также о том, что поглощение веществ
идет не только избирательно, но и против градиента концентраций.
Процесс поглощения веществ делят на два этапа: поступление
ионов в свободное пространство корня; транспорт их в протопласты
клеток. При помещении корней растений на раствор катионного
красителя, например метиленового синего, можно наблюдать, что в
первые же 3 мин из раствора поглощается примерно половина того
количества, которое поглотится за длительное время (рис. 87).
Дальнейшее поглощение будет идти очень медленно (часами).
Действие на корневую систему дыхательных ядов или пониженной
температуры
полностью
снимает
последующее
медленное
поглощение вещества из раствора.
Рис. 87. Поглощение веществ тканями растений:
1 этап — проникновение в кажущееся свободное пространство; II этап — накопление в клетках; 1 — в
отсутствие дыхательных ядов и при физиологической температуре; 2—наличие дыхательных ядов или
низкая температура
При переносе корней в воду или раствор соли наблюдается
обратная картина: быстрое выделение красителя в первые несколько
минут и последующий медленный его выход из ткани. Причем
количественно выход красителя в раствор превышает выход в воду.
Первоначальное быстрое поглощение веществ осуществляется в
клеточных стенках и является адсорбцией, а быстрое выделение —
десорбцией. Больший выход красителя в раствор соли свидетельствует
об обменном характере адсорбции. Та часть объема корня, где
происходят процессы обменной адсорбции, получила название
кажущегося свободного пространства (К.СП). Термин «кажущееся»
означает, что объем этого пространства зависит от объекта и природы
растворенного вещества. КСП включает межмолекулярные
пространства в толще клеточных стенок и на поверхности
плазмалеммы и клеточных стенок и занимает 5—10 % объема корня.
Высокая адсорбирующая способность обусловлена отрицательно
заряженными карбоксильными группами пектиновых веществ
(полигалактуроновых кислот), мозаично заряженными белками и
доннановским электропотенциалом на границе водной среды и
катионообменника. Эти факторы уже на первом этапе обеспечивают
избирательность поглощения веществ, несущих заряд, так как
клеточные стенки более активно связывают
Рис. 88. Поглощение веществ клетками ризодермиса корня
катионы, чем анионы. Из-за высокой плотности отрицательных
фиксированных зарядов в клеточной стенке происходит первичное
концентрирование катионов в пространстве, непосредственно
прилегающем к плазмалемме.
В почве корень контактирует с водной фазой (почвенным
раствором) и с частицами почвы, которые также преимущественно
являются катионообменниками (почвенный поглощающий комплекс).
Катионы и анионы поступают в клеточные стенки ризодермы как
непосредственно из почвенного раствора, так и благодаря контактному
обмену с частицами почвенного поглощающего комплекса. Оба эти
процесса связаны с обменом катионов Н+ на катионы окружающей
среды и НСО3 или анионов органических кислот на анионы
минеральных веществ (рис. 88).
Способность к обменной адсорбции определяется обменной
емкостью корня. Она зависит от химического состава корневых
выделений и клеточных стенок и поддерживается транспортом
веществ через цитоплазматическую мембрану и дальнейшим их
перемещением внутрь корня.
Проблема мембранного транспорта подробно рассмотрена в главе
1. Отметим лишь, что ионы и различные соединения могут
преодолевать мембрану по электрохимическому градиенту за счет
простой диффузии путем растворения в липидной фракции мембраны
или через гидрофильные поры (ионные каналы), а также за счет
облегченной диффузии гидрофильных веществ с помощью
липофильных переносчиков.
Возможно также поступление ионов против электрохимического
градиента с затратой метаболической энергии при участии активных
переносчиков (насосов).
Особую роль в плазмалемме растительных клеток играет Н+- насос
(протонная помпа), создающий электрический (ду) и химический
(дрН) градиенты ионов Н+. Электрический потенциал ионов Н+
(мембранный потенциал) может быть использован на транспорт
катионов по электрическому градиенту против концентрационного. В
свою очередь, дрН служит энергетической основой для переноса через
мембрану анионов в симпорте с ионами Н+, возвращающимися через
мембрану по концентрационному градиенту.
Аналогично Н+ могут функционировать и НСО3 или ОН-, избыток
которых появляется в примембранном слое цитоплазмы при
интенсивной работе Н+-насоса. Транспорт этих ионов и анионов
органических кислот наружу по электрохимическому градиенту может
протекать в антипорте с поступлением в клетку анионов минеральных
веществ.
Именно мембранное строение клеток обеспечивает избирательность поглощения веществ растением. Поддержание структуры
мембран, их обновление и функционирование активных механизмов
транспорта ионов являются энергозависимыми процессами. Поэтому
существует тесная связь поглотительной деятельности корня с
дыханием.
При действии дыхательных ядов и низких температур (см. рис. 87)
происходит только первая фаза поглощения веществ — их
проникновение в кажущееся свободное пространство, дальнейшее
поступление веществ в протоплазму не наблюдается из- за
ограниченности энергетических ресурсов клетки.
Наиболее активно поглощают вещества клетки зоны растяжения и
корневых волосков. Корневые волоски не только позволяют корню
осваивать значительно больший объем почвы, но и обладают более
высокой поглотительной активностью. В опытах О. О. Лялина и И. С.
Ахмедова (1978) установлено, что молодые, только начинающие рост
корневые волоски имеют на порядок большую проницаемость для
ионов, чем расположенные рядом с ними безволосковые клетки. По
мере старения корневого волоска и затухания его роста число ионных
каналов на единицу клеточной поверхности снижается быстрее, чем
возрастает сама поверхность. Корневой волосок интенсивно
поглощает ионы, пока он растет. Наличие большого количества точек
роста в корневой системе обеспечивает ее высокую поглотительную
активность.
5.3. ИОННЫЙ ТРАНСПОРТ В РАСТЕНИИ
В зависимости от уровня организации процесса различают три типа
транспорта веществ в растении: внутриклеточный, ближний (внутри
органа) и дальний (между органами).
Внутриклеточный транспорт. Передвижение веществ внутри
одной клетки осуществляется в результате совместного действия
циклозиса (круговое движение цитоплазмы) и направленной поперек
этого движения диффузии, чем может достигаться почти полное
перемешивание веществ в гиалоплазме. У высших растений движение
цитоплазмы происходит при участии сократительных белков
актомиозинового типа. Скорость движения цитоплазмы 0,2—0,6
мм/мин. Во внутриклеточном транспорте веществ принимают участие
также каналы эндоплазматического ретикулума и везикулы Гольджи.
Ближний транспорт. Это передвижение ионов, метаболитов и
воды между клетками и тканями внутри органа. Ближний транспорт
включает радиальный транспорт веществ в корнях и стеблях,
передвижение веществ в мезофилле листьев на небольшие расстояния,
измеряемые миллиметрами. Осуществляется он через клетки
неспециализированных для транспорта веществ тканей по апопласту
— совокупности межклетников и межфибриллярных полостей
клеточных стенок, симпласту — совокупности протопластов клеток,
соединенных плазмодесмами и ва- куому — дискретной системе
вакуолей клеток.
Дальний транспорт. Это передвижение веществ между органами
растения. Осуществляется по специализированной проводящей
системе, включающей сосуды и трахеиды ксилемы (восходящий ток)
и ситовидные трубки флоэмы (нисходящий ток).
5.3.1.
РАДИАЛЬНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ИОНОВ В КОРНЕ
Путем обменных процессов и диффузии ионы поступают в
клеточные стенки ризодермиса, а затем через коровую паренхиму
направляются к проводящим пучкам (рис. 89). Вплоть до внутреннего
слоя коры эндодермы возможно перемещение ионов по апопласту за
счет диффузии и обменной адсорбции. Транспирационный ток воды
ускоряет этот процесс. Поглощение ионов клетками коры может
происходить на всем пути их движения по апопласту, что увеличивает
фактическую поверхность соприкосновения корня с внешним
раствором.
Однако в обычных условиях существования, при сравнитель-
Реактор
Рис. 89. Обобщенная схема функций корневых тканей и радиальном транспорте веществ
(Д. Б. Вахмистров, 1985):
/ — центростремительные потоки ионов и продуктов их первичной ассимиляции; 2 — центробежные
потоки органических субстратов из флоэмы. (Толщиной стрелок условно показана относительная
интенсивность потоков.)
но низких концентрациях ионов в наружной среде, их первичное
поглощение осуществляется главным образом ризодермисом. Основным местом входа ионов в симпласт являются корневые волоски.
Одним из косвенных доказательств этого служит высокая
насыщенность плазмодесмами базальной стенки трихобласта на его
границе с корой. Ризодермис с корневыми волосками функционирует
как нагнетательный насос. Именно здесь происходит загрузка ионами
корневого симпласта, а далее вплоть до сосудов они проходят весь
путь по плазмодесмам внутри симпластичес- кой фазы без
преодоления мембранных барьеров.
Симпластический транспорт веществ сопровождается их метаболизацией, т. е. включением в процессы обмена веществ. Поэтому
кору называют метаболическим реактором корня. Здесь минеральные
формы азота, фосфора и серы включаются в органические соединения
и к сосудам уже направляются продукты их первичной ассимиляции.
Кора выполняет также функцию транспортного буфера,
регулирующего ионный поток по радиусу
корня. При высоком уровне питания (рис. 90) избыток ионов
изымается из симпластического потока путем сбрасывания их в
вакуоли и к сосудам подается необходимое количество питательных
веществ.
При дефицитном питании ионные потоки на тонопласте смещаются
в сторону симпласта и недостаток ионов смягчается запасами вакуоли.
При отсутствии ионов в среде, например, при помещении корней в
воду в условиях эксперимента наблюдается «тканевый плач» с
достаточно высокой концентрацией ионов в пасоке в основном за счет
содержимого вакуолей коры, которые составляют до 80 % общего
вакуолярного объема корня.
Буферная роль корня наглядно проявляется в существенном
изменении содержания азота, фосфора, калия и других питательных
элементов в корне и относительном постоянстве их содержания в
побеге при изменении условий питания. Так, при изменении
обеспеченности фосфором в 4 раза (выращивание на 1/2 и двух дозах
питательной смеси) его содержание в корнях увеличивалось в 3 раза, а
в листьях практически не изменялось (табл. 21).
21. Влияние уровня питания на содержание фосфора в листьях и корнях томата
(Д. В. Вахмистров, 1966)
Доза питательного
раствора (NPK)
0,5
I
2
в листьях
в корнях
Р в листьях Р в
корнях
0,13
0,13
0,13
0,12
0,19
0,36
1,08
0,68
0,36
Содержание Р (% на сухое вещество)
Это надо иметь в виду при листовой диагностике. Более объективную информацию по обеспеченности сельскохозяйственных
культур элементами минерального питания дает не содержание
элементов в листьях, а соотношение их содержания в листьях и корнях,
называемое коэффициентом распределения.
Особое значение в радиальном транспорте ионов имеет самый
внутренний слой клеток коры — эндодерма. Пояски Каспари
прерывают апопластический транспорт веществ между корой и
центральным цилиндром. Весь поток переходит на симпластический
путь, чем обеспечивается метаболический контроль поступления
веществ. Кроме того, эндодерма препятствует утечке ксилемного сока
из центрального цилиндра. Следующая ткань — перицикл работает
как кольцевой коллектор, направляя вещества кратчайшим путем из
системы симпласта к сосудам ксилемы.
Избыток
Норма
НеОостаток Отсутствие В сребе
Рис. 90. Взаимосвязь между симпластическим потоком ионов к сосудам ксилемы
(горизонтальные стрелки) и ионным обменом между симпластом и вакуумом (вертикальные стрелки) при разных уровнях питания. (Толщина стрелок условно соответствует интенсивности ионных потоков.)
Механизмы преодоления первой мембраны симпласта и его
последней мембраны различны. Если загрузка симпласта в ризодермисе происходит активно с участием Н+-помпы, то его разгрузка
(около сосудов) происходит, вероятно, пассивно. Имеются
экспериментальные данные, позволяющие считать, что функционирование Н+-помпы в мембранах околососудистых клеток
обеспечивает не выделение К+ в сосуды, а, наоборот, его обратное
поглощение из сосудов клетками паренхимы центрального цилиндра,
что обусловливает рециркуляцию ионов и стабилизацию ионного
состава ксилемного сока.
5.3.2.
ВОСХОДЯЩИЙ ТРАНСПОРТ ИОНОВ В РАСТЕНИИ
Восходящий ток ионов осуществляется преимущественно по
сосудам ксилемы, которые лишены живого содержимого и являются
составной частью апопласта растения. Механизм ксилемного
транспорта — массовый ток растворенных веществ вместе с водой,
движимый транспирацией и корневым давлением. Но и на этом этапе
транспорта веществ, так же как и в корне, осуществляется его активная
регуляция.
Применение радиоактивных изотопов фосфора и калия позволило
обнаружить, что, хотя они и движутся вместе с восходящим
транспирационным током, тем не менее в большем количестве они
поступают не в более энергично транспирирующие, а в растущие части
растения — в точки роста, только развертывающиеся листочки, в
формирующиеся плоды. Движение ионов по сосудам ксилемы
происходит при их непрерывном взаимодействии со стенками самих
сосудов. В клеточных стенках ксилемы имеются многочисленные
участки с фиксированными отрицательными зарядами, способные
избирательно связывать катионы и таким образом тормозить их
транспорт по ксилеме.
Ионный поток в ксилеме активно регулируется также прилегающими живыми клетками. Если какого-то элемента в ксилемном
соке слишком много, он извлекается из сосудов. Они же могут служить
и источником недостающих элементов питания, передавая их по мере
необходимости в ксилемный сок. Таким образом, стебель представляет
вторую после корня буферную емкость, обеспечивающую
равномерность поступления веществ и ионный гомеостаз
растительного организма. Благодаря этому в растении при
продвижении растущих корней через почвенные слои, в разной мере
обеспеченные питательными веществами, нет перебоев в снабжении
ими надземных органов.
Использование метода меченых атомов С2Р, 42К) позволило
выявить участие в восходящем токе веществ элементов коры. Ее вклад
варьирует в зависимости от обеспеченности растений минеральными
веществами и водой. Такое дублирование повышает надежность
транспортной системы. Пространственная сближенность ксилемы с
сосудами
флоэмы
структурно
обеспечивает
интенсивный
диффузионный обмен между ними уже в стебле. Здесь значительная
часть калия вовлекается в обратный базинетальный транспорт, не
достигая листьев. Такая рециркуляция калия как осмотически
активного вещества может существенно повышать количество воды,
транспортируемой по ксилеме.
5.3.3.
ПОГЛОЩЕНИЕ ИОНОВ КЛЕТКАМИ ЛИСТА
На долю проводящей системы приходится около объема ткани
листа. Суммарная длина разветвлений проводящих пучков в 1 см2
листовой пластинки достигает 1 м. Такая насыщенность тканей листа
проводящей системой обеспечивает ее тесный контакт с клетками
мезофилла и разгрузку ксилемы в листе. Вода и растворенные в ней
вещества через поры сосудов ксилемы попадают как в клеточные
стенки (апопласт), так и в цитоплазму клеток мезофилла. Но диффузия
ионов по свободному пространству листа затруднена из-за крайне
сложной его формы. Поэтому большая часть ионов поступает внутрь
клеток мезофилла при участии Н+-помпы.
Непрерывная доставка ионов в клетки мезофилла обеспечивает
растущий лист неорганическими солями и азотистыми соединениями,
необходимыми для новообразования веществ и поддержания
осмотического потенциала растительных тканей. В зрелом листе,
достигшем
конечных
размеров,
поступление
веществ
с
транспирационным током превосходит потребности в них и есть
опасность значительного повышения осмотического давления. В
тканях листьев используются три способа устранения избытка ионов:
образование труднорастворимых осадков солей (карбонатов кальция в
клеточных стенках, оксалата кальция в вакуолях, фосфата кальция в
митохондриях); отток ионов из листа через флоэму; накопление и
выделение солей солевыми желёзками и волосками.
Большинству сельскохозяйственных культур, произрастающих на
незасоленных почвах, свойственны два первых процесса.
5.3.4.
ОТТОК ИОНОВ ИЗ ЛИСТЬЕВ
Почти все элементы, за исключением кальция и бора, могут
оттекать из листьев, достигших зрелости и начинающих стареть. Среди
катионов во флоэмных экссудатах доминирующее место принадлежит
калию, на долю которого может приходиться около 60 % суммы
катионов. Из всех двухвалентных ионов в заметном количестве
перемещается по флоэме только магний; возможно, что для этого он
включается в состав комплексных соединений. Железо, марганец,
цинк и молибден также перемещаются по флоэме, но их концентрация
не превышает средний уровень содержания в других клетках.
Среди анионов в ситовидных элементах флоэмы преобладает
фосфат. Часть фосфора находится в виде неорганического фосфата,
другая связана в органических соединениях (гексозофосфа- . тах,
нуклеотидах, нуклеиновых кислотах). Из других анионов в
ситовидных элементах всегда обнаруживается С1 , концентрация
которого во многом зависит от общего уровня хлоридов в почве и в
самом растении. Нитраты и сульфаты при определенных условиях
(высокая обеспеченность источниками питания, замедление
фотовосстановительных реакций) также транспортируются с
нисходящим током. Однако более типичным является отток из листа
азота и серы в составе органических соединений.
В ситовидные элементы флоэмы ионы могут поступать как путем
транспорта их из клеток пределы
листовой жилки, при участиимезофилйа, так и не выходя за
переходных
(передаточных)
клеток, в стенках которых
Ксилемная
образуются
многочисленные
переходная клетка
выросты цитоплазмы (рис. 91).
Такие лабиринты, значительно
увеличивающие
контактную
поверхность,
могут
быть
поляризованы.
Например,
у
Ксилема
переходных клеток ксилемы (тип
А) выросты цитоплазмы есть
лишь в стенке, примыкающей к
сосуду, что облегчает перенос
ионов из ксилемного сока в
А-тип
(Выросты на
симпласт ксилемной паренхимы.
Всех стенках)
В переходных клетках, расположенных в жилке между сосудами
В-тип
ксилемы и флоэмы (тип В), (Выросты только на
привыросты имеются на границе с стенках,
мыкающих к срлозме)
обеими
транспортными
системами, что обеспечивает Рис. 91. Переходные клетки и главные
эффективный
обмен
ионами
направления переноса веществ
(Д. Кларксон, 1978)
между ними. Нисходящий ток
минеральных веществ по флоэме
менее значителен по своим
масштабам, чем восходящий транспорт по ксилеме. В совокупности
они обеспечивают круговорот, способствующий перераспределению
элементов в растении.
5.3.5.
ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ И РЕУТИЛИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВ
В РАСТЕНИИ
Направление движения минеральных веществ в растении во
многом определяется интенсивностью их использования и потребностями того или иного органа. Растения характеризуются
большой экономичностью в потреблении питательных веществ. Это
выражается в их способности к реутилизации, т. е. повторному
использованию основных элементов минерального питания.
Широкие возможности для изучения перераспределения ионов в
растении открыло использование радиоактивных индикаторов —
меченых атомов. В 50—60-е годы в ряде зарубежных исследований
установлено, что 32Р перемещается из зрелых в молодые листья,
которые дифференцировались уже после того, как поступление 32Р в
корни прекращалось. Такая же картина наблюдалась у растений,
получавших 35SO~, хотя отношение оттока к притоку в зрелые листья
было
меньше,
вероятно,
из-за
медленного
обновления
серосодержащих белков. В опытах с ячменем установлено, что в
растущий третий лист примерно 40 % калия поступает из первого
листа.
Дальнейшие исследования показали, что повторному использованию подвергается большинство элементов минерального питания.
Наиболее подвижен калий, он может проделывать ежедневно
несколько круговоротов через ксилему и флоэму. Это объясняется его
свободным состоянием и важной ролью потока калия в регуляции
транспортных процессов и биоэлектрических явлений. Хорошо
реутилизируются азот и фосфор, которые входят в состав жизненно
важных лабильных соединений. По мере старения листьев процессы
распада превышают синтез, освобождающиеся азот и фосфор
направляются к более молодым частям растения. Однако есть
элементы, которые практически не реутилизируются. К ним относятся
кальций, бор, очень слабо реути- лизируется железо. Это связано с
малой лабильностью и плохой растворимостью соединений, в которые
входят эти элементы. Магний и сера по степени реутилизации
занимают промежуточное положение.
Возможность повторного использования отдельных элементов
оказывает влияние на их распределение в растении. Для элементов,
подвергающихся реутилизации, характерен базипе- талъный
градиент распределения, т. е. чем выше расположен лист, чем он
моложе, тем больше в нем азота, фосфора и калия. Это особенно
проявляется при недостатке данного элемента в почве. Для элементов,
не подвергающихся повторному использованию (кальций, железо,
бор), характерен акропетальный градиент. Чем старше орган, тем
больше содержание в нем указанных элементов.
Благодаря реутилизации веществ растущие части растения на более
поздних фазах роста получают значительную часть необходимых им
элементов. Зерновые культуры наиболее активно поглощают азот,
фосфор и калий в первые 1,5 мес роста. К моменту, когда зерно
достигает примерно 25 % своей окончательной величины, поглощение
этих элементов уже на 90 % заканчивается. Дальнейший налив зерна
идет за счет мобилизации веществ листьев и стеблей. У многолетних
культур перед осенним листопадом большие количества ионов
оттекают из листьев в корни, стволы и органы запаса.
5.4.
РЕГУЛИРОВАНИЕ РАСТЕНИЕМ СКОРОСТИ
ПОГЛОЩЕНИЯ ИОНОВ
Поглощение ионов корнями растений тесно взаимодействует с
другими функциями растительного организма. Как правило, ускорение
темпов роста увеличивает использование питательных веществ и тем
самым усиливает их поступление. Кроме того, быстрый рост корневой
системы оказывает прямое влияние на поглощение благодаря
освоению новых объемов почвы.
Прочно установленным фактом является зависимость поглотительной деятельности от дыхания корня. Источником дыхательных
субстратов служат продукты фотосинтеза, поступающие из надземных
органов. Хотя нет прямой зависимости между поступлением ионов и
воды, эти процессы также взаимосвязаны. Согласованность различных
физиологических процессов, протекающих в растительном организме,
обеспечивается строгой рефляцией каждого из них в конкретных
условиях.
5.4.1. ПОГЛОЩЕНИЕ ИОНОВ ИЗ РАЗБАВЛЕННЫХ
И ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ РАСТВОРОВ
Обычно корни растений соприкасаются с раствором, имеющим
низкую концентрацию солей. Поэтому поступление ионов идет против
концентрационного градиента по каналам катионной и анионной
проводимости при активном участии протонной помпы. Все
многообразие
мембранных
транспортных
механизмов
непосредственно и косвенно связано с энергетическим обменом и
метаболизмом клетки. Поэтому кинетика, описываю
щая скорости метаболизма и ферментативных реакций, приложима и к
транспорту ионов. Действительно, график зависимости скорости
поступления иона от его концентрации в среде выражается кривой с
насыщением. Максимальная скорость достигается при полном
насыщении мест сорбции транспортной системы. Следовательно,
возможно для транспортных процессов определить константу
Михаэлиса Км как такую концентрацию иона, при которой он
транспортируется в корень со скоростью, равной половине
максимальной Итах. Низкая величина Км означает высокое сродство
между ионом и транспортной системой, следовательно, высокую
избирательность.
В большинстве случаев потоки ионов из разбавленных растворов
достигают насыщения в диапазоне концентраций от 0,2 до 0,5 мМ (рис.
92). В результате многих исследований удалось определить величины
Км и Итах для различных растительных тканей и для большинства
ионов, поглощаемых растениями. Установлено, что величина Км в
различных экспериментальных системах остается для данного иона
постоянной. Например, значения Км близки для поглощения К+
корнями ячменя и листьями кукурузы.
Тип поглощения, при котором Км остается постоянной, получил
название поглощения системой I. Для системы I характерно высокое
сродство с транспортируемыми ионами. Конкуренция возможна лишь
со стороны очень близких по своим размерам и свойствам ионов.
Парами таких ионов-аналогов являются К+ и Rb+, Са2+ и Sr2+, Cl- и Вт-,
SOj и SeO-. В отношении других ионов в том диапазоне концентраций,
в котором функционирует система I, проявляется отчетливая
дискриминация. Так, в корнях ячменя на поглощение С1 никак не
влияет присутствие других галоген-анионов, F и 1 , хотя Вг
конкурентно подавляет это поглощение. Аналогичным образом
поглощение К+ в ткани листа кукурузы подавляется ионом РЬ+ и
остается нечувствительным к ионам Na+, Li+, Cs+ и NH4. Между Zn2+ и
Cu2+ обнаруживается довольно значительная конкуренция: поглощеРис. 92. Поглощение ионов из растворов с
широким диапазоном концентраций (Е.
Epstein, 1973). (Обратите внимание на
изменение
масштаба
в
точке,
соответствующей 0,5 мМ, чтобы не
создавалось впечатление, что при концентрациях >0,5 мМ внезапно вступает
второй механизм с гораздо более быстрым
поглощением ионов, чем первый.) ние Zn2+
в присутствии эквимолярного
раствора Си2+ сокращается на 20
%. Мп2+ не оказывает влияния на
поглощение Zn2+ и Си2+.
Если значительно повысить концентрацию (см. рис. 92), то поток
ионов будет продолжать довольно медленно увеличиваться и в
конечном счете достигнет величины, во много раз превышающей
f’max системы I. При концентрациях более 50 мМ опять будет
достигнуто насыщение. Этот второй процесс носит название
поглощение системой II. Транспорт ионов в диапазоне концентраций,
в котором действует система II, не обнаруживает сильной зависимости
от метаболизма и представляет преимущественно пассивный процесс.
Результаты многих опытов позволяют полагать, что при высоких
концентрациях электролитов изменяются физические свойства
мембран — падает электрическое сопротивление, возрастает ионная
проводимость и уменьшается избирательность. Экспериментально
установлено, что у подсолнечника Ам для калия при слабом засолении
составляла 0,023, а при сильном —0,17 мМ (Glase, 1980). В первом
диапазоне концентраций Na+ не мешает поглощению К+, при высоких
концентрациях присутствие натрия снижает поглощение калия.
Детальное изучение кинетики поглощения корнями кукурузы калия
в широком диапазоне концентраций (Kochlian a. Lucas, 1982) показало
сходство с характеристиками потоков в трансмембранных калиевых
каналах животных мембран. Вероятно, как при низкой, так и при
высокой концентрации ионов в растворе функционирует единая
транспортная система ионоселективных каналов, количество которых
и свойства меняются в соответствии с условиями.
5.4.2.
ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПОТОКАМИ ИОНОВ И ВОДЫ В КОРНЕ
Поступления ионов и воды в корни растений являются самостоятельными процессами, взаимосвязь между которыми в зависимости от условий может быть или ничтожно мала, или достаточно
существенна.
Установлено, что в водных культурах растворы питательных солей
никогда не поступают в корни в неизменной концентрации. Из
разбавленных растворов энергичнее поступают соли, из
концентрированных — вода. Убедительным доказательством
независимости поступления ионов и воды является то, что разные соли
и даже катионы и анионы одной и той же соли поступают в растение с
различной скоростью. Так, у сульфата аммония (NH4)2SO4 более
интенсивно поглощается катион NHJ, менее интенсивно — анион SO4
, в результате чего происходит подкисление среды. Поэтому такая соль
называется физиологически кислой. NaNOa является физиологически
щелочной солью, из нее растением интенсивнее используется нитрат.
Физиологически нейтральной солью может быть нитрат аммония
NH4NO3, у которого с одинаковой интенсивностью поглощаются
катионы и анионы.
Определение электропроводности транспирационного тока воды,
поднимающегося по сосудам древесины, показало, что концентрация
солей больше ночью, когда транспирация ослаблена и воды в растение
поступает меньше. Обычно наблюдается также повышение
концентрации пасоки при снижении скорости плача. Все это
свидетельствует об отсутствии прямой связи транспорта ионов с током
воды в растении.
Тем не менее поглощение ионов корнями может косвенно
ускоряться усилением транспирации за счет более быстрого освобождения клеток корня от растворенных солей восходящим током
воды. Причем эффект зависит от концентрации солей в среде. У
низкосолевых растений (концентрация солей в среде менее 1 мМ)
высокая избирательность мембран, поток ионов через плазмалемму
определяются в основном деятельностью энергозависимых ионных
насосов. Разбавление цитоплазматической фазы током воды слабо
сказывается на транспорте ионов через плазмалемму.
У высокосолевых растений (концентрация среды более 10 мМ)
более высокие проницаемость плазмалеммы и доля не зависящего от
метаболизма диффузионного потока ионов. Поэтому разбавление
цитоплазматической фазы усиленным током воды способствует
поступлению ионов. Таким образом, при высокой концентрации
корнеобитаемой среды транспирационный ток может играть
решающую роль в поглощении ионов.
5.4.3.
ПОГЛОЩЕНИЕ ИОНОВ И ПОТРЕБНОСТИ В НИХ РАСТЕНИЯ
Многочисленные наблюдения над минеральным питанием целых
растений позволяют сделать вывод, что в условиях, когда доставка
ионов растению не лимитирована, скорость их поглощения строго
регулируется потребностями растения. Показательны в этом
отношении данные М. Дру и П. Ная (1969), полученные в опытах с
проростками итальянского райграса (рис. 93). Когда единственным
источником калия для растения была зона шириной 1 см, скорость
поглощения у корня в этой зоне оказалась в 8 раз выше, чем когда вся
корневая система могла поглощать калий. Это свидетельствует о
больших возможностях регулирования активности транспортной
системы в растении. Подобное заключение можно сделать также и на
основании опыта, в котором у райграса непрерывно удаляли все
придаточные корни (R. Brouwer, A. Kleinendorst, 1965). Побеги были
при этом
мельче, но растения выглядели
вариации Вариант?.
вполне здоровыми и росли довольно хорошо, несмотря на то что
отношение массы побегов к массе
корня было очень большим.
Поглощение
элементов
минерального питания на 1 г
оставшихся на растении корней в 5
раз превышало поглощение у
контрольных
растений;
концентрация же ионов в побегах была
в контроле и в опыте приблизительно одинаковой.
Поражает способность растений
извлекать
в
необходимых
количествах элементы из растворов, сильно различающихся по
концентрации. При 5000- кратной
разнице концентрации калия в
растворе сухая масса 11-недельных
Время, дни
растений ячменя различалась всего
лишь в 1,7 раза, а содержание калия
93. Поглощение калия определенным
в побегах — в 1,5 раза (D. Williams, Рис.
участком корня Lollium multi- florum в
1961). По данным Ц. Эшера и Дж. условиях, когда остальные части корня
Лонерагана (1967), многие виды находятся либо в не содержащем калия
растений обладают способностью песке (/), либо в почве (//) (М. Drew а. Р.
расти и поддерживать надлежащую Nye, 1969)
внутреннюю
концентрацию
фосфора в очень разбавленных растворах, если состав раствора
относительно постоянный.
По-видимому, при низких концентрациях фосфора корни можно
заставить работать интенсивнее, чтобы обеспечить поступление того
же количества фосфата в побег. Естественно, на транспорт того же
количества фосфата из разбавленного раствора требуется затратить
больше энергии, чем из концентрированного.
Даже когда рост растения лимитируется недостатком какого- либо
элемента, содержание этого элемента в тканях растения может
оставаться постоянным. Такие результаты обычно получают в опытах
с нитратом, который оказывает очень сильное влияние на рост, в
особенности у хлебных и кормовых злаков. Д. Кларксон (1978),
работая с проростками ячменя и диапазоном концентрации нитрата в
среде от 0,1 до 10,0 мМ, заметил, что рост ячменя заметно ухудшался
при концентрации нитрата ниже 1 мМ, но общее содержание азота в
побегах оставалось относительно постоянным.
Таким образом, свойства самой транспортной системы растений —
не единственный фактор, определяющий скорость поглощения ионов
корнями. Эти свойства могут существенно меняться в зависимости от
потребности растений в элементах минерального питания.
5.4.4.
РИТМИЧНОСТЬ В ПОГЛОЩЕНИИ ИОНОВ КОРНЯМИ РАСТЕНИЙ
Поглощение ионов, как и другие функции растительного организма, имеет неравномерный характер. В зависимости от периодичности наблюдения можно регистрировать ритмы с разными
периодом и амплитудой. Углубленное изучение ритмичности поглотительной деятельности корня началось в 50-е годы, когда
появилась возможность работать в лабораториях искусственного
климата со строго контролируемыми условиями среды и использовать
достаточно точные, в том числе и радиоизотопные, методы
регистрации поглощения веществ из раствора.
Установлено, что у растений независимо от внешних условий
наблюдаются определенные суточные ритмы процессов поглощения
веществ корнями (рис. 94). В дневные часы поглощение веществ идет
интенсивнее, чем ночью, что соответствует временному ходу других
физиологических процессов, в частности притоку к корням ассимилятов и метаболизации поступивших веществ.
При непрерывной или достаточно частой регистрации
180 наблюдается также ритмичность с
160 периодом в несколько часов, при
которой
максимальное
поглощение
закономерно
сменяется периодами- слабого
поглощения
или
выделения
веществ в раствор (рис. 95).
Интересный факт получен при
одновременном
определении
поглощения калия и кальция. Как
правило, во время максимального
поглощение
калия
растение
выделяет кальций и, наоборот,
максимальному
поглощению
кальция
соответствует
выделение
Врепя с у ток, ч
калия (рис. 96). Одновременное
определение
поглощения
Рис. 94. Суточный ритм поглощения К, Са и
нитратов фасолью в фазе двух тройчатых фосфатов и сульлистьев (Е. Е. Кристина, 1965). Данные
приведены в относительных величинах. За
100 % принято поглощение за первый
опытный период. Световой режим 12:12.
(Освещение растений с 6 до 18 ч.)
Рис. 95. Ритм поглощения нитратов томатом в фазе 13 листьев (И. И. Гунар, Е. Е.
Крастииа, А. Е. Петров-Спиридонов, 1959). Световой режим 12 : 12
-161 __ I __ I
I _ I __ I __ I __ I __ I __I __ I __ I _ I __ I __ I__ I __ I __ I __ I __ L
15 16 17 18 19 20 21 22 25 24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Время суток, ч
Рис. 96. Ритм поглощения калия и кальция томатом в фазе 13 листьев (И. И. Гунар, Е. Е.
Крастииа, А. Е. Петров-Спиридонов, 1959) фатов показало, что их поглощение
идет независимо друг от друга.
Реципрокное (обратное) поглощение калия и кальция не является
случайным. В отличие от нитратов, фосфатов и сульфатов, которые
при ассимиляции включаются в органические соединения, калий и
кальций выполняют в основном роль регуляторов функционального
состояния растений. Именно эта пара ионов обеспечивает
электрофизиологические процессы и реакции растительных клеток на
внешние воздействия. При температурных и химических
раздражениях корней растений наблюдается сильное выделение калия
с одновременным поглощением кальция растениями. Размеры
поглощения кальция и выделения калия в таких случаях значительно
превосходят те, которые наблюдаются у растений, не подвергающихся
дополнительным раздражениям. Этот процесс обратим, т. е. через
определенное время происходят обратное поглощение калия и
выделение кальция растением. Первая фаза приурочена, очевидно, к
возбуждению, а вторая — к состоянию торможения. Чередующееся
поглощение и выделение ионов корнями растений нужно рассматривать как последовательную смену периодов возбуждения и
торможения в деятельности корней при постоянном раздражителе —
питательном растворе.
Таким образом, ритмичность поглотительной деятельности корня,
с одной стороны, обеспечивает временную координацию и
саморегуляцию взаимосвязанных функций растительного организма, а
с другой — лежит в основе раздражимости и приспособления к
изменениям в окружающей среде.
5.5. АЗОТНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ
Растения для своего развития нуждаются в значительных количествах азота. Так, зерновые культуры при среднем урожае зерна 4
т/га выносят с 1 га около 100 кг азота.
Формы азота в окружающей растение среде чрезвычайно разнообразны: в атмосфере — молекулярный азот и пары аммиака, в
почве — неорганические (нитраты, нитриты, аммоний, аммиак) и
органические (аминокислоты, амиды, полипептиды и др.) соединения
азота. Такое разнообразие форм, естественно, ставит вопрос об
источниках азотного питания растений и путях дальнейшего
превращения азота растительным организмом.
Установлено, что высшие растения не способны усваивать
молекулярный азот атмосферы. Это монополия азотфиксирую- щих
микроорганизмов (симбиотических и свободноживущих). Общая
мировая биологическая фиксация азота составляет около 17,2 • 107 т в
год, что в 4 раза превышает химическое связывание Nj в форме NH3
на предприятиях химической промышленности.
Рис. 97. Схема фиксации № в бактероиде клубеньков бобовых (В. В. Полевой, 1989)
Свободноживущие азотфиксаторы окультуренных сельскохозяйственных почв включают бактерии родов Azotobacter и Beijerinc- kia.
На затопляемых рисовых полях эффективными азотфиксато- рами
являются цианобактерии. Свободноживущие азотфиксаторы —
гетеротрофы, нуждающиеся в углеводах, как правило, поселяются на
поверхности корней и используют корневые выделения. В умеренном
климате ежегодная фиксация азота свободноживу- щими бактериями
составляет несколько килограммов на 1 га. Более значительный вклад
в фиксацию атмосферного азота вносят симбиотические
азотфиксаторы, прежде всего бактерии рода Rhizobium,
поселяющиеся на корнях бобовых растений. Их продуктивность
составляет 100—400 кг N/ra. Инфицирование растения-хозяина
начинается с проникновения бактерий в клетки коры, интенсивное
деление которых приводит к образованию клубеньков на корнях. При
этом сами бактерии превращаются в окруженные мембраной
бактероиды с высокой нитрогеназной активностью (рис. 97).
Фермент нитрогеназа состоит из двух компонентов: более высокомолекулярного Мо-, Fe-белка и низкомолекулярного Fe- белка. N2
связывается и восстанавливается до NH3 первым олигомером, а Feбелок поставляет для этого процесса электроны, получаемые через
ферридоксин от цикла Кребса. Цикл Кребса обеспечивает также синтез
АТФ, необходимый для поддержания структуры нитрогеназного
комплекса, и поставляет кетокислоты, которые связывают аммиак с
образованием аминокислот. Синтезируемый растением-хозяином
гемсодержащий белок легоглобин встраивается в мембрану
бактероида и осуществляет транспорт кислорода, создавая защиту
нитрогеназы от его разрушающего действия.
Взаимоотношения между высшими растениями и клубеньковыми
бактериями характеризуют как симбиоз. Однако на первых этапах
инфицирования бактерии питаются целиком за счет высшего растения,
т. е. практически паразитируют на нем, поэтому может наблюдаться
торможение роста зараженных растений. Развитые клубеньки
начинают снабжать азотистыми веществами растение-хозяин и
получать от него фотоассимиляты. Согласно расчетам, сделанным на
основании модельных опытов, для восстановления 1 моль Nj
необходимо не менее 12—15 моль АТФ. Реальные же затраты на
процесс азотфиксации значительно больше: на каждый грамм
фиксированного азота окисляется 3— 6 г органического углерода.
В период вегетативного роста в клубеньки поступает 25—40 %
продуктов фотосинтеза, при этом около половины возвращается в
надземную часть растения в виде азотистых соединений. При переходе
растений к репродуктивной фазе развития поток фото- ассимилятов в
клубеньки постепенно снижается, что приводит к затуханию их
азотфиксирующей деятельности.
Тесная связь восстановления молекулярного азота в клубеньках с
фотосинтезом и перераспределением ассимилятов обусловливает
зависимость этого процесса от интенсивности и продолжительности
освещения, концентрации СО2 и водообеспеченности растений.
Повышенные дозы азотных удобрений подавляют процесс
азотфиксации.
Благодаря деятельности клубеньковых бактерий бобовые растения
не только обеспечиваются азотсодержащими соединениями, но и
значительно обогащают почву азотом за счет корневых выделений и
пожнивных остатков. Существуют и другие виды высших растений,
способные симбиотически усваивать азот. К их числу относятся
некоторые деревья и кустарники: ольха, лох, облепиха и др.
Высшие растения могут поглощать растворимые азотсодержащие
органические соединения — аминокислоты, амиды, короткие
полипептиды, но в основном органический азот почвы усваивается
после его минерализации. В водной культуре убедительно показано,
что зеленое растение представляет собой в высшей степени
автотрофный организм, способный синтезировать все, в том числе и
азотсодержащие, органические соединения. Основными усвояемыми
формами азота для высших растений являются ионы аммония и
нитрата. Причем азот — единственный из элементов минерального
питания, который корни растений могут поглощать в форме ионов
обоих знаков заряда: анион нитрата NO3 (заряд азота —5) и катион
аммония NH4 (заряд азота —3).
5.5.1.
ОСОБЕННОСТИ НИТРАТНОГО И АММОНИЙНОГО ПИТАНИЯ
РАСТЕНИЙ
Наиболее полно вопрос об использовании растениями нитратного
и аммиачного азота разработан академиком Д. Н. Прянишниковым
(1955) и его сотрудниками. Ими была установлена равноценность этих
источников азота и изучены условия эффективного использования его
высшими растениями.
Одним из важнейших факторов, определяющих поглощение
растениями неорганических форм азота, является реакция питательной
среды. В слабокислой среде, при pH 5, лучше поглощаются нитраты.
Наоборот, в нейтральной среде, при pH 7, преимущество имеет
аммоний. Для усвоения аммония большое значение имеет и наличие в
среде достаточного количества ионов кальция.
Физиологическая особенность процессов усвоения заключается в
том, что аммоний сразу после поглощения метаболизируется в корнях,
превращаясь в азот аминокислот и амидов. Концентрация аммония в
тканях и пасоке обычно очень низкая. Поэтому аммонийная форма
азота эффективна только при условии высокой фотосинтетической
активности или достаточного количества запасных углеводов. При
недостатке органических кислот аммиак не успевает связываться и
может быть токсичным для растения.
Исследование большого количества сельскохозяйственных
культур позволило разделить их на группы по способности ассимилировать аммиачный азот. Основой классификации служит
соотношение между углеводами и белками в семени (C:N). Наиболее
успешно питание аммиачным азотом идет у растений, у которых
углеводы значительно преобладают над белками. Примером могут
служить злаки, у которых отношение C:N примерно 6:1. Находясь в
темноте, проростки злаков легко усваивают аммиак до тех пор, пока
углеводные запасы семени не истощены. Проростки люпина, имеющие
соотношение C:N, равное 0,6:1, не способны ассимилировать аммиак в
темноте. Таким образом, различное отношение к аммонийному азоту
определяется не столько видовыми признаками растений, сколько
уровнем содержания в их тканях углеводов.
Судьба поглощенного растениями нитрата может быть различной.
Поступившие нитраты либо запасаются в вакуолях клеток корня, либо
подаются с пасокой в надземную систему. Включаться в органические
соединения они могут как в корнях, так и в листьях. Причем
метаболизация нитратов начинается с их восстановления до аммония.
Поэтому были основания полагать, что аммонийное питание
энергетически значительно более выгодно, чем нитратное. Однако
термодинамические расчеты показали, что у райграса затраты энергии
на транспорт из среды в корень и усвоение нитрата только на 8 %
выше, чем на использование аммония. Аммоний к тому же должен
усваиваться сразу и требует активного притока в корни углеводов и
достаточной аэрации.
Наличие в среде одновременно обеих форм минерального азота
приводит к увеличению урожая хлебных злаков. Одной из причин
этого может быть экономия энергии за счет эффективного
распределения нагрузки между корнями и листьями при усвоении
аммония и нитратов.
На поглощение растениями нитратов и аммония существенно
влияет температура среды. Причем реакция самых разных растений на
температурные воздействия оказывается очень сходной: при
пониженной температуре относительно или даже абсолютно больше
поглощается аммония, чем нитрата, увеличивается метаболическая
нагрузка корней по ассимиляции азота. Наиболее неустойчивым к
низкой температуре этапом азотного обмена является загрузка
ксилемы азотистыми соединениями, особенно нитратами. Замедление
оттока приводит к снижению их поглощения.
Таким образом, предпочтительность использования растениями
разных форм минерального азота зависит от ряда условий (pH и
ионного состава среды, наличия достаточного пула органических
кислот, способных связывать аммиак, температуры и др.). Все эти
факторы необходимо учитывать при разработке мероприятий по
повышению эффективности применения азотных удобрений.
5.5.2.
АССИМИЛЯЦИЯ НИТРАТНОГО АЗОТА
Азот входит в состав органических соединений только в восстановленной форме. Поэтому включение нитратов в обмен веществ
начинается с их восстановления, которое может осуществляться и в
корнях, и в листьях. Относительная доля участия этих органов в
первичной ассимиляции нитратов является видовым признаком. В
связи с этим выделяют три основные группы растений (рис. 98):
1. Растения, практически полностью восстанавливающие нитраты
в корнях и транспортирующие азот к листьям в органической форме.
К этой группе относятся горох, люпин, черника, многие древесные
растения.
2. Растения, практически не проявляющие нитратредуктазной
активности в корнях и ассимилирующие подаваемые с пасокой
нитраты в листьях. Это бурачник, дурнишник, сахарная свекла,
хлопчатник.
3. Растения, способные восстанавливать нитраты как в корнях, так
и в листьях. Это наиболее многочисленная группа, включающая
хлебные злаки, кукурузу, фасоль, сорго, овощные культуры. У них, как
правило, восстановление нитратов активнее протекает
Рис. 98. Ассимиляция NO3 и ее топография у растений с шггратиосстаиавливаю- щей
активностью:
а — в корнях; б — в листьях; в — в корнях и листьях
в листьях, однако доля участия разных органов сильно варьирует в
зависимости от обеспеченности растений нитратами, концентрации в
среде и интенсивности поглощения ионов аммония и калия, уровня
освещенности, температуры и других факторов.
По современным представлениям, восстановление нитрата
осуществляется в два этапа.
Восстановление нитрата до нитрита, сопряженное с переносом двух
электронов и катализируемое ферментом нитратредук- тазой (HP):
NO3 ------------------------------- --- NO2
2ё
(В цитозоле).
Восстановление нитрита до аммиака путем переноса шести
электронов и катализируемое ферментом нитритредуктазой (НиР):
-т - НиР ХТТ¥+
JNO2 ----------------► IN Н4 (в пластидах).
6ё
Нитратредуктаза представляет собой гем- и молибденсодержащий
флавопротеин, участвующий в переносе электрона от НАД Н к NO3:
нитратредуктаза
Восстановление нитратов до нитритов происходит в цитозоле
клеток корня и листа. Не исключается возможность локализации
нитратредуктазы на плазмалемме и на мембранах органелл, граничащих с растворимой фазой клетки. Но эти ассоциации фермента с
мембранами удерживаются слабыми связями и легко разрушаются при
выделении органелл.
Вторая стадия восстановления минерального азота осуществляется
при участии фермента нитритредуктазы. Это относительно
низкомолекулярный белок, включающий около 600 аминокислотных
остатков, который содержит железопорфириновую простатическую
группу и железо в виде кластера 4Fe4S. Осуществляемая
нитритредуктазой реакция может быть представлена следующим
образом:
NO"2 + 6Фдвосст + 8Н+— NH4+ + 6Фдокисл + 2Н2О
В листьях нитритредуктаза локализована в хлоропластах и в
качестве донора электронов использует восстановленный в световой
фазе фотосинтеза ферридоксин (Фд). В корнях NO2 восстанавливается
в пропластидах с использованием НАДФ-Н, образующегося в
пентозофосфатном пути дыхания.
Использование разных источников восстановителя приводит к
существенной разнице в энергозатратах на превращение NO3 в NH4 в
надземных и подземных органах. Если привести затраты к одному
эквиваленту, то в листьях на восстановление 14 г азота нитрата
расходуется 15 г глюкозы, а в корнях — 60 г, т. е. в 4 раза больше. Но
преимущества перед корнями в энергетических расходах листья имеют
только на свету.
5.5.3.
АССИМИЛЯЦИЯ АММИАКА
Аммиак, образовавшийся при восстановлении нитратов или
молекулярного азота, а также поступивший в растение при аммонийном питании, далее усваивается в результате восстановительного аминирования кетокислот, поставляемых дыханием. При
аминировании
а-кетоглутарата,
катализируемого
глутаматдегидрогеназой (ГДГ), образуется глутамат.
СН2СОСООН
СН2СООН
а-кетоглутарат
+ NH3 + Н^Д-
CH2CHNH2COOH
н2о НАД'
СН2СООН
глутамат
Подобным способом происходит аминирование щавелевоук-
сусной кислоты (ЩУК) под действием аспартатдегидрогеназы,
которое ведет к синтезу аспартата.
ЩУК
+ NH3 + Н^Д-Н
аспартат
Н*О НАД+
В результате восстановительного аминирования пирувата при
участии аланиндегидрогеназы образуется аланин.
пируват
NH3 + Н^Д*Н
аланин
Н2О НАД+
Однако использование высокочувствительных методов определения активности ферментов показало, что эти ферменты не столь
активны, чтобы внести существенный вклад в общий процесс
ассимиляции аммиака у растений. В начале 70-х годов был открыт
основной путь первичной ассимиляции аммония, включающий две
последовательные
сопряженные
реакции,
катализируемые
ферментами глутаминсинтетазой (ГС) и глутаматсинтета- зой (ГТС).
Механизм реакции включает перенос амидной группы глутамина
на а-кетоглутарат в присутствии восстановителя, в результате чего
происходит образование двух молекул глутамата. Глута- минсинтетаза
(ГС) катализирует реакцию, в которой глутамат функционирует как
акцептор NH3 для образования глутамина. Для этой реакции требуется
АТФ. Причем ГС обладает гораздо большим сродством к NH3, чем
глутаматдегидрогеназа (ГДГ). В настоящее время ГС — ГТС-путь
считается главным в ассимиляции аммиака, образующегося в
хлоропласте в результате восстановления нитратов. ГДГ имеет
преимущества в темноте и в условиях аммонийного питания растений.
Функционируют обе системы как в листьях, так и в корнях.
Более простым способом связывания аммиака является образование
аммонийных солей органических кислот. У растений с кислым
клеточным соком (щавель, бегония, осоки, хвощи) со
держание аммонийного азота в десятки раз превосходит содержание
амидного азота.
Аммиак в растениях обезвреживается и при образовании мочевины.
Исходным продуктом для синтеза мочевины служит аминокислота
орнитин, которая, присоединяя аммиак и углекислоту, превращается в
цитруллин. Цитруллин присоединяет еще одну молекулу аммиака и
образует аргинин. Аргинин под действием фермента аргиназы с
участием воды расщепляется на орнитин и мочевину. Схематически
синтез мочевины можно представить так:
Н2О
NH, + СО, орнитин
цитоуллин
ьш3
।
орнитин + мочевина
Н
» аргинин
2°
Мочевина неядовита для растений, хорошо усваивается, использование ее азота для всевозможных синтетических процессов
происходит очень легко, так как в растительных тканях имеется
фермент уреаза, катализирующий расщепление мочевины:
CO(NH2)2 + Н2О СО2 + 2NH3.
Но надо иметь в виду, что орнитиновый цикл не всегда идет до
образования мочевины. В ряде случаев в растениях может наблюдаться
накопление большого количества аргинина. Установлено, что аргинин,
который содержит 32 % азота, т. е. больше любой другой
аминокислоты, наряду с амидами является соединением, в виде
которого связывается избыток аммиака, поступающего в растение и не
используемого для биосинтеза белков.
5.5.4. ПРИЧИНЫ НАКОПЛЕНИЯ ИЗБЫТОЧНЫХ КОЛИЧЕСТВ НИТРАТОВ
В РАСТЕНИЯХ И ПУТИ ИХ СНИЖЕНИЯ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ
ПРОДУКЦИИ
Темпы поглощения нитратного азота часто могут превышать
скорость его метаболизации. Связано это с тем, что многовековая
эволюция растений шла в условиях недостатка азота и вырабатывались
системы не ограничения поступления, а накопления азота.
Ключевым ферментом, определяющим ассимиляцию нитра
тов, является нитратредуктаза, активность которой в 5—20 раз ниже,
чем нитритредуктазы. Поэтому нитриты, образующиеся на первом
этапе редукции нитратов, не накапливаются, а быстро
восстанавливаются до аммиака. Степень ассимиляции аммонийной
формы зависит от многих внутренних и внешних факторов,
благоприятного сочетания которых в естественных условиях, как
правило, не бывает. Для растений реально существует опасность
аммиачного отравления, приводящего к хлорозу листьев, подвяданию, замедленному росту и последующей гибели. При усилении
нитратного питания активность нитратредуктазы растет до
определенного предела и часть нитратов остается невосстановленной.
Это предохраняет растительные ткани от накопления токсичных
промежуточных продуктов ассимиляции.
Образование нитратов может быть связано также с окислением
избыточного количества аммония в растении, что не только
предотвращает нарушение обмена веществ, но и позволяет сохранить
азот в минеральной форме для дальнейшего использования в
процессах ассимиляции.
Нитраты в клетке распределены в двух фондах: цитоплазматическом (активном) и вакуолярном (запасном), которые участвуют в
обменных процессах с неодинаковой скоростью. Соотношение фондов
варьирует в широких пределах в зависимости от видовых
особенностей растений, условий минерального питания, и других
факторов. Для листьев ячменя характерна достаточно высокая доля
запасного фонда (19—28 % общего количества), которая может
возрастать до 60 % при повышении уровня азотного питания. В
листьях гречихи доля запасного фонда невелика — 3— 9 %. Причем в
растениях ассимиляции подвергаются прежде всего вновь
поступившие нитраты, а имеющиеся в запасном фонде используются
лишь ограниченно.
Высокое содержание нитратов в вакуолях абсолютно безвредно для
растительной ткани. Но, попадая с растительной пищей в организм
животного или человека, нитраты восстанавливаются до нитритов,
которые блокируют снабжение клеток кислородом и вызывают ряд
серьезных заболеваний. Допустимой суточной дозой потребления
нитратов считается 300—320 мг, или 4 мг/кг живой массы.
Интенсификация сельскохозяйственного производства и увеличение доз азотных удобрений делают очень серьезной проблему
избыточного накопления нитратной формы, азота в растениеводческой
продукции.
С физиологической точки зрения накопление нитратов можно
рассматривать как результирующую процессов их поглощения,
транспорта, ассимиляции и распределения, интенсивность и направленность которых определяются совокупностью генетических,
почвенно-экологических и агротехнических факторов.
Накопление нитратов различными культурами носит наследственно закрепленный характер. Зерновые культуры практически не
накапливают нитратов. Среди семейств овощных культур наибольшей
•S1 л
способностью к накоплению нитратов отличаются Капустные,
Тыквенные, Сельдерейные. Наибольшее количество нитратов
накапливают редька, свекла столовая, капуста, салат, шпинат, редис,
картофель. Пределы содержания нитратов в товарной части урожая у
этих растений составляют 600—3000 мг/кг сырой массы. Томаты,
перец сладкий, баклажан, чеснок, горох отличаются низким
содержанием нитратов — 20—300 мг/кг.
У ряда овощных и бахчевых культур выявлена сортовая специфика
накопления нитратов. Низким содержанием нитратов характеризуются
сорта моркови Шантанэ, Консервная, высоким — Лосиноостровская,
Нантская. Столовая свекла сорта Бордо имеет более низкое
содержание нитратов, чем Египетская плоская. Сорта огурца Лель,
Парад, Московский тепличный, томата — Утро, Факел отличаются
низким накоплением нитратов.
Видовые и сортовые различия по накоплению ни гратов обусловлены генетически закрепленными возможностями редуцирующей
системы растений, в частности уровнем нитратредуктаз- ной
активности, а также разной реакцией на условия окружающей среды и
режим минерального питания. Имеет также значение, какие органы
составляют товарную часть урожая.
В генеративных органах нитраты отсутствуют или содержатся на
значительно более низком уровне, чем в вегетативных, а количество
нитратов в корне, стебле и черешках листьев выше, чем в листовой
пластинке. Меньшее количество нитратов по сравнению с листьями и
черешками содержится в корнеплодах и клубнях, среди запасающих
органов меньше нитратов содержат луковицы. Даже внутри одного
органа нитраты распределяются неравномерно (рис. 99). Большее
количество нитратов содержится у основания листа капусты и салата.
Содержание нитратов в сочных плодах семейства Тыквенные
уменьшается от плодоножки к верхушке. Семенные камеры
отличаются более низким содержанием, чем мякоть и кора.
Одной из причин видовых и сортовых различий в накоплении
нитратов является физиологическая спелость растения к моменту
уборки. Количество нитратов особенно велико, когда период товарной
зрелости наступает раньше физиологического созревания, например у
огурца и кабачка. С возрастом содержание нитратов в растении
снижается из-за уменьшения их поступления в растение, а также в
связи с увеличением запасов ассимилятов, вовлекающих азот в
метаболизм.
На накопление нитратов большое влияние оказывают условия
минерального питания. Здесь огромная роль принадлежит правильному выбору доз азотных удобрений с учетом исходных запасов
минерального азота и азотминерализующей способности почвы,
позволяющей учесть обеспеченность азотом в ходе вегеООН
Рис. 99. Распределение нитратов (мг/кг сырой массы) в луке (О. А. Соколов, Т. 'В.
Бубнова, 1989). (Наименьшее количество нитратов содержится в средней части луковицы,
тогда как в верхней и нижней частях их содержание примерно в 2 раза выше. Наибольшее
их содержание в донце луковицы. У зеленого лука зона стебля над луковицей содержит
наибольшее количество нитратов.)
тации растений. Важной причиной накопления нитратов являются
также несбалансированное основными элементами питание и
недостаток микроэлементов, нарушающие нормальный ход азотного
обмена. Особенно большое значение для успешного усвоения нитратов
имеют правильное фосфорно-калийное питание и достаточная
обеспеченность молибденом. Содержание нитратов в растениях
увеличивается при низком значении pH и преобладающей
концентрации К+ и Са2+ в среде.
Среди факторов внешней среды наибольшее влияние на содержание
нитратов в растении оказывают влажность, свет, температура воздуха
и почвы, которые, действуя в комплексе, усиливают или ослабляют
друг друга. Изменение влажности неоднозначно влияет на накопление
нитратов. Переувлажнение почвы обычно приводит к избыточному
накоплению нитратов.
С другой стороны, высокий уровень нитратов в растении в
засушливые периоды можно снизить поливами овощных культур, так
как они повышают темпы роста и способствуют частичному
вымыванию нитратов из верхних горизонтов почвы. Влияние света на
накопление
нитратов обусловлено изменением активности
нитратредуктазы. Увеличение интенсивности света, умеренные
температура и азотное питание снижают содержание нитратов в
растениях.
Для снижение содержания нитратов в сельскохозяйственной
продукции применяют комплекс селекционно-генетических, агрохимических и технологических мероприятий.
Перспективными являются поиск и выведение сортов, отличающихся высокой эффективностью использования азота почвы на
формирование урожая с низким уровнем содержания нитратов, что
позволит не только снизить дозы удобрений, но и предотвратить
загрязнение окружающей среды. В то же время внедрение в практику
сортов с высоким потенциалом ассимиляции нитратов обеспечивает,
как правило, повышение содержания белка в урожае. Поэтому
актуальным остается изучение механизмов наследования признака
низкого содержания нитратов или высокой скорости их ассимиляции.
Этот путь наиболее целесообразен при выращивании овощей с
коротким периодом вегетации (листовые овощи, редис),
отличающихся повышенной способностью к накоплению нитратов.
В связи с тем что ведущим фактором накопления нитратов в
растении является избыточное азотное питание, рекомендуют
использовать дозы удобрений, которые обеспечивают урожай
растений на 5—10 % ниже максимального. Уменьшить содержание
нитратов можно путем применения медленнодействующих
полимерных форм удобрений на основе мочевиноформальдегид- ных
соединений (МФС) и конденсированных фосфатов (КФ),
карбамидоформальдегидных удобрений, а также с помощью покрытия
гранул защитными пленками. Это снижает скорость растворения
удобрений и обеспечивает пролонгированное равномерное снабжение
азотом растений в течение всей вегетации. Эффективным средством
также являются ингибиторы нитрификации (дециандиамиддидин,
сероуглерод), использование которых обеспечивает временную
консервацию в почве аммонийного азота, что снижает потери азота
удобрений и уменьшает накопление нитратов в урожае зеленных
овощей и редиса.
Эффективным решением «нитратной» проблемы является дробное
и локальное применение азотных удобрений под овощные и кормовые
культуры. При локальном внесении на 25—30 % снижаются дозы
применяемых удобрений и уменьшается аккумуляция нитратов у
зеленных культур и редиса на 9—58 %, у кукурузы и кормовой свеклы
— на 10—40 %. Для получения овощной продукции с высоким
урожаем и низким содержанием нитратов необходимы умеренное
азотное питание растений в молодом возрасте, усиленное снабжение
азотом в период интенсивного роста листового аппарата и
ограниченное обеспеченное азотом при созревании кочанов и
корнеплодов. Такой азотный режим растений можно обеспечить
только при проведении подкормок по данным диагностики условий
питания.
В снижении содержания нитратов может помочь выбор оптимальных сроков уборки урожая. В процессе вегетации картофеля
количество нитратов в клубнях снижается. При поздних сроках уборки
содержание нитратов в клубнях на 50—60 % ниже, чем при ранних.
Уборку листовых овощей следует проводить вечером, так как в это
время в них содержится на 30—40 % меньше нитратов за счет их
активного восстановления в светлый период суток.
В заключение следует отметить, что повышенное содержание
нитратного азота в растениях чаще всего бывает следствием низкой
культуры производства и несоблюдения технологии. Существуют
предельно допустимые санитарно-гигиенические нормы содержания
нитратов, которыми необходимо руководствоваться при производстве
и потреблении продукции растениеводства. Для зеленных кормов и
силоса это 500 мг/кг, картофеля — 250, огурца и томата открытого
грунта — 150—200, закрытого грунта— 300— 400, зеленных культур
— соответственно 2000 и 3000 мг/кг.
5.6. ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСТЕНИЙ ПИТАТЕЛЬНЫМИ
ВЕЩЕСТВАМИ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ
В естественном круговороте элементов необходимые для растений
минеральные вещества поступают главным образом из почвы. Для
пополнения естественного запаса питательных веществ используют
удобрения. Их применение приобретает все большее значение в связи
с необходимостью повышения продуктивности сельскохозяйственных
посевов и насаждений и увеличения экономической эффективности
капиталовложений.
5.6.1.
МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА В ФИТОЦЕНОЗАХ И ИХ КРУГОВОРОТ
В ЭКОСИСТЕМЕ
Между организмами фитоценоза и почвой существует круговорот
минеральных веществ, который в естественных условиях в
значительной степени замкнут. Минеральные вещества, поглощаемые
растениями, прямым путем или через пищевые цепи возвращаются в
почву включенными в органические вещества, где они
минерализуются сапрофитами и сорбируются почвенными
коллоидами.
Чем больше растения усваивают солнечной энергии и связывают ее
в
органическом
веществе,
тем
интенсивнее
проходит
почвообразовательный процесс и существенно улучшаются агрономические свойства почвы. Растения извлекают корнями из глубоких
почвенных слоев элементы минерального питания. Их накопление в
растительных остатках, поступающих в поверхностный слой,
обогащает
его
усвояемыми
соединениями
и
закрепляет
легкоусвояемые элементы, так как азот и зольные компоненты
растительных остатков по мере минерализации используются в
последующем другими растениями. Кроме того, растительные остатки
служат энергетическим материалом для микробиологических
процессов почвы, в результате которых дополнительно фиксируется
азот атмосферы, происходят восполнение и обновление гумуса почвы,
а также увеличивается емкость почвенно-поглощающего комплекса.
Минерализация и синтез органических веществ должны соответствовать друг другу. Там, где разложение органических веществ
почвы идет медленно, скорость прироста растений обычно на низком
уровне.
•
При высокой интенсивности минерализации первичные продукты
лучше обеспечиваются нужными ионами и могут создавать большую
массу. Значительная продуктивность тропической растительности
обусловлена наряду с другими факторами быстрой оборачиваемостью
минеральных веществ. Равномерная благоприятная температура и
высокая влажность способствуют разложению органического
вещества микроорганизмами, так что элементы минерального питания
лишь ненадолго остаются в почве связанными в органических
соединениях и вскоре переводятся в доступную для растений
минеральную форму. Слишком интенсивная минерализация или
пониженное поглощение минеральных веществ растительным
покровом, например, после пожара отрицательно сказывается на
обмене минеральных веществ в экосистеме. В минерализованном
состоянии эти вещества более доступны для растений, но они также
более подвижны в почве и поэтому легче вымываются.
Фонд минеральных элементов, связанных в органических веществах биомассы и почвы, выполняет важную роль резерва,
благодаря которому все компоненты экосистемы застрахованы на
случай неблагоприятных внешних воздействий.
В функциональную систему растения—микроорганизмы— почва
регулярно поступают минеральные вещества извне, в то же время она
постоянно теряет их в результате геохимических процессов. Поэтому
растения зависят не только от микробной минерализации в почве.
По сравнению с короткозамкнутым оборотом минеральных
веществ в экосистеме геохимические процессы незначительны, но ими
нельзя пренебрегать. Источником поступления минеральных веществ
служат подстилающая порода, вода и воздух. Поступающие в почву
благодаря химическому выветриванию подстилающих пород
минеральные вещества с грунтовой и капиллярной водой
перемещаются в зону корней. Вода атмосферных осадков приносит на
поверхность растений и в почву неорганические вещества,
содержащиеся в атмосфере в форме газов (SO2, оксиды азота, NH3),
пыли, тумана или аэрозоля. Растения улавливают эти вещества и
непосредственно из воздуха. Ежегодное поступление минеральных
веществ (прежде всего Cl, Na, Са, S, К, Mg и N) из атмосферы
оценивается в 25—75 кг/га. Потеря минеральных веществ экосистемой
происходит отчасти через атмосферу (ветровая эрозия), но прежде
всего в результате вымывания из почвы.
С убранным урожаем сельскохозяйственных растений поглощенные вещества из почвы устраняются. При уборке урожая зерновых
культур с полей отчуждается 60—68 % накопленной фитомассы. На
формирование 1 т зерна и соответствующего количества побочной
продукции зерновые культуры потребляют 30—32 кг азота, 10—12 —
фосфора, 15—18 кг калия. Вынос питательных веществ при уборке
урожая должен возмещаться внесением удобрений.
5.6.2.
ПЛОТНОСТЬ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОРНЕЙ В ПОСЕВЕ
Классический метод изучения корневой системы, основанный на
измерении и детальной характеристике всех ее ответвлений, в полрвых
исследованиях практически не используют. В посеве обычно
определяют плотность корней, т. е. длину корней, приходящуюся на
единицу объема почвы (by) или на единицу площади поверхности
почвы (Ьд). Традиционные методы заключаются в раскопке корневых
систем с помощью траншей, а также взятии проб из почвы в виде
монолитов или вертикальных колонок. После отмывки корней от
почвы определяют количество и длину живых корневых окончаний.
Трудоемкое измерение длины корней линейкой в настоящее время
заменяют сканированием лазерным лучом помещенных на воду корней
или сканированием цветной пленки, на которой отсняты корни. Анализ
изображения проводят с помощью компьютера.
Однако эти методы изучения связаны с повреждением корневой
системы и не позволяют наблюдать корни в динамике. Более
информативным является изучение корневых систем в ризотронах:
растения сажают в большие контейнеры и наблюдают за появлением и
ростом корневых окончаний через стеклянные стенки. Этот способ
был разработан в Ист-Молинге в 1959 г. для длительного изучения
корневых систем плодовых деревьев. В настоящее время в ризотронах
воспроизводят различные фитоценозы, где изучают действие дефицита
воды, аноксии и условий питания на развитие корневой системы.
В последние годы получают распространение ризоскопы, или
мини-ризотроны. В почву под углом вставляют прозрачную трубку из
пластика или заполненный воздухом прозрачный мешок с источником
освещения и датчиком видеокамеры. На экране видеокамеры видны
корневые окончания и участки растущих корней, которые
анализируют с помощью компьютерной техники. Данные, полученные
этим методом и методом монолитов, хорошо согласуются.
Используют также методы, не повреждающие корневые системы,
основанные на различии физических свойств почвы и корней,
например метод ядерного магнитного резонанса и измерения
электропроводности.
Для разных сельскохозяйственных культур плотность корней в
пахотном горизонте сильно варьирует — от 0,8 до 50 см - см 3, а
протяженность корней на единицу площади поверхности почвы — от
10 до 1000 см • см 2, причем травы дают величины, близкие к верхней
границе, а древесные культуры — к нижней границе указанных
пределов. Полевые культуры занимают промежуточное положение. В
фазе созревания семян у них содержится 1—10 мг сухой массы корней
на 1 см2 поверхности почвы. У молодых растений плотность корней
бывает значительно ниже.
Многолетние исследования распределения корней различных
сельскохозяйственных культур в полевых условиях выявили очень
высокую пластичность корневой системы, которая выражается в
варьировании ее размеров и формы за счет корней разных порядков
ветвления. Один и тот же вид растений в различных условиях
формирует разные корневые системы, причем часто наблюдается
горизонтальный или даже направленный вверх рост корней.
По пластичности корневые системы значительно превосходят
надземные органы. Такая пластичность корневой системы является
основой приспособления растений к разнообразным почвенным
условиям, определяющим поступление воды и минеральных
элементов в растение. Благодаря пластичности корневых систем в
почве фитоценоза устанавливается определенная иерархическая
организация взаимоотношений корневых систем.
Влияние генетических особенностей растения на плотность и
распределение корней отчетливо проявляется у одиночно стоящих
растений при достаточно однородных и благоприятных для роста
условиях. Максимальная глубина проникновения корней фасоли,
гречихи, проса 0,9— 1,1 м,
гороха, картофеля 1,6,
зерновых
культур,
подсолнечника, свеклы 3,
люцерны 5 м и более. В
сравнительных
опытах
показано, что одиночные
растения ржи, пшеницы и
овсюга имели корневую
систему общей протяженностью 70—90 км, а в
сплошном посеве длина
корней едва достигала 900
м.
В посеве решающее
значение в реализации
наследственных свойств
растений имеют фитоценотическая обстановка,
свойства
почвы,
ее Рис. 100. Распределение массы корней по глубине у
плотность,
условия
ячменя, выращенного при различной плотности
посева (Е. J. Kirby, О. Rackham, 1971):
питания и влагообеспе1 — 50 растений на I м2; 2 — 200 растений на 1 м";
чения.
Увеличение
3 — 800 растений на 1 м2
плотности посева при
водит к ускоренному
увеличению общей длины и массы корней на ранних стадиях развития
растений, кроме того, более раннее сближение корней соседних
растений обусловливает рост корней в глубину. В дальнейшем
плотность посева уже не будет так сильно влиять на размеры корней.
При высокой плотности посевов, когда размеры растений сильно
ограничены, может наблюдаться уменьшение глубины проникновения
корней. Такое х<е явление может быть и при низкой плотности посева,
хотя в этом случае оно обусловлено отсутствием конкуренции в
верхнем слое почвы. Максимальной глубины корнеобитаемой зоны
можно ожидать при средней плотности посева (рис. 100).
М. Аткинсон (1974), исследуя в ризотроне распределение корней
яблони, установил, что на глубине до 40 см находилось 92 % вновь
образовавшихся корней, если расстояние между растениями
составляло 240 см, и только 11 %, если расстояние было 30 см. В
последнем случае 47 % корней проникало в почву на глубину более
100 см.
Развитие корневой системы в значительной мере зависит от
почвенных условий. При плотности почвы 1,4—1,5 г/см3 рост корней
многих сельскохозяйственных культур резко замедляется или вовсе
приостанавливается. Способность корней развиваться на уплотненных
почвах тесно связана с режимом аэрации. Наиболее чувствительны к
аноксии зародышевые корни. В природной обстановке почва
уплотнена неравномерно, во всех направлениях она пронизана ходами
землероев. Эти рыхлые прослойки имеют большое значение для
проникновения корней в глубокие слои подпочвы.
Результатом влияния условий питания на плотность и распределение корней является сконцентрированность корней в верхнем слое
почвы, плодородие которого поддерживается внесением удобрений и
естественным возвратом пожнивных остатков. Глубокая заделка
удобрений в почву способствует росту корневой системы в
подпахотном слое. В период роста глубина проникновения корневой
системы по профилю почвы увеличивается. Это отчасти обусловлено
высыханием верхнего слоя почвы, в результате чего расположенные
здесь корни снижают поглотительную активность. Во многих
стрессовых ситуациях корневая система адаптируется, прибегая к
интенсивному ветвлению, например при локальном внесении
удобрений. При кислой реакции, дефиците влаги или уплотнении
верхнего горизонта происходит ветвление в нижнем горизонте почвы.
Отдельные части корневых систем поглощают минеральные
вещества из почвы неравноценно. Поглотительная способность
стержневых корней при прочих равных условиях в несколько раз
превышает таковую у боковых корней. Экспериментально установлена
более высокая поглотительная способность корней узла кущения и
более значительная их роль в питании растений, чем первичных
(зародышевых) корней. Эта роль придаточных корней особенно
возрастает в период кущения злаков, когда происходит их усиленное
ветвление с образованием боковых корней. Однако, несмотря на это,
зародышевые корни сохраняют определенную долю участия в питании
растения и на более поздних этапах его развития.
Соотношение между надземными и подземными органами зависит
от многих условий. Так, при слабом водном стрессе наблюдаются
торможение роста надземной системы и усиление роста корней. В
целом высокое отношение корень:стебель обеспечивает большую
экологическую стабильность растения. При ослаблении фотосинтеза
это соотношение снижается, причем число зачатков узловых корней не
меняется, но развиваются не все зачатки. На подсолнечнике
притекающие меченые ассимиля- ты усиливают скорость роста
придаточных корней.
Обычно на долю корней приходится 15—25 % органического
вещества растения, причем здесь обнаруживается большая видовая
специфика. На дерново-подзолистых почвах клевер в пахотном слое
накапливает в год 3,8 т/га корней, картофель — 0,65 т/га,
промежуточное
положение
занимают
зерновые
культуры.
Продуктивность корневых систем в накоплении сухого вещества носит
обратный характер: у картофеля этот показатель значительно выше,
чем у клевера.
Многочисленные исследования показывают, что продуктивность
растений и отзывчивость на уровень минерального питания
определяются не столько мощностью корневой системы, сколько ее
физиологической активностью. У сортов, более отзывчивых на
удобрения, меньше недеятельная адсорбирующая поверхность корня,
повышенный приток углеводов к корням.
5.6.3.
ПОЧВА КАК ИСТОЧНИК ПИТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР
В почвенном растворе, как известно, содержится лишь весьма
незначительная часть имеющихся в почве запасов питательных
веществ, количество которых недостаточно для полного удовлетворения потребности растений. Подавляющая часть питательных
веществ находится в почве в связанном состоянии с органическими
веществами и алюмосиликатными комплексами.
Важную роль в круговороте элементов питания в почве играет
гумус. Чем больше запасы гумуса в почве, тем богаче она азотом,
фосфором, серой, калием, кальцием и микроэлементами. С наличием
гумуса связаны физические и технологические свойства почвы, их
водопроницаемость и влагоемкость.
При современной структуре севооборотов ориентировочные
оптимальные параметры содержания гумуса в дерново-подзолистых
почвах составляют: на суглинистых 2,5—3,0 %, супесях 2,0— 2,5,
песках 1,8—2,0 %.
Многочисленные почвенные исследования показали, что валовые и
доступные растениям запасы питательных веществ тесно связаны с
гранулометрическим составом почв.
С увеличением в дерново-подзолистых почвах физической глины,
основного показателя классификации почв по гранулометрическому
составу, увеличивается содержание калия. Общее количество калия в
дерново-подзолистых почвах превышает все другие элементы.
Валовые запасы его в 20-сантиметровом слое колеблются от 25—40
т/га в песчаных почвах до 69—70 т/га в тяжелосуглинистых. Валовые
запасы фосфора в слое 100 см составляют 16—18 т/га в пылеватосуглинистых почвах, 10—12 — в супесчаных, 7—9 т/га — в
рыхлопесчаных. В то же время доля хорошо доступных растениям
рыхлосвязанных фосфатов кальция увеличивается на легких почвах.
Содержание общего, минерального и легкогидролизуемого азота в
пахотном слое песчаных почв значительно ниже, чем в суглинистых.
Режим питания растений во многом определяется состоянием
почвенно-поглощающего комплекса.
Наиболее высокую емкость поглощения (50—60 мг*экв на 100 г
почвы), а соответственно и сумму поглощенных оснований имеют
богатые перегноем черноземные почвы. В хорошо окультуренных
дерново-подзолистых почвах емкость поглощения достигает 15—17
мг-экв на 100 г почвы, а степень насыщенности основаниями — 70—
80 %.
Доступность растению веществ, адсорбированных почвенными
коллоидами, зависит от различных условий. Наряду с насыщенностью
почвы данным элементом и прочностью его связи весьма важное
значение
имеет
обеспеченность
растений
водой.
Даже
кратковременное завядание резко снижает адсорбционную
способность тканей корня и приводит к ослаблению поглотительной
деятельности.
Существенное влияние на ход поглощения растением питательных
веществ из почвы оказывают корневые выделения. Состав этих
выделений и пути их использования растениями весьма многообразны.
Выделяемый корнями растений диоксид углерода повышает
растворимость почвенных минералов и увеличивает доступность
растению адсорбционно связанных почвой питательных веществ.
Помимо СО2 корни выделяют различные органические кислоты,
сахара и другие соединения, которые также имеют большое значение
для поглотительной деятельности корня.
Важным фактором, определяющим питательный режим почвы,
является концентрация водородных ионов почвенного раствора.
Высокая концентрация ионов водорода, а на дерновоподзолистых
почвах и алюминия оказывает как прямое, так и косвенное вредное
действие на питание растений.
Прямое действие заключается в нарушении коллоидно-химических
свойств протоплазмы растительных клеток, неблагоприятном
изменении концентрации органических кислот в клеточном соке,
нарушении белкового обмена и торможении синтеза белка, изменении
адсорбции и поглощения растениями ионов.
Повышенная кислотность особенно сильно влияет на фосфатный
режим дерново-подзолистых почв — снижаются подвижность и
усвояемость фосфора. Наблюдается прямое неблагоприятное действие
алюминия: поступление фосфорнокислого алюминия в корневую
систему растений подавляет способность последней подавать фосфор
в надземные органы. В результате наблюдается специфическое
фосфатное голодание растений. В опытах с кукурузой дополнительное
внесение с NPK алюминия увеличивало содержание фосфора в корнях
на 62 % при одновременном снижении содержания в листьях на 8, а в
стеблях — на 14 %.
Со степенью кислотности почв связана и обеспеченность почвы
другими элементами минерального питания (рис. 101). Изучение
особенностей питания растений в связи с кислотностью почвы
позволило изменить установившееся мнение об отрицательном
отношении к известкованию льна, картофеля, люпина. Показано, что
кальциефобность
этих
культур
обусловлена
нарушением
сбалансированности питания при известковании.
Рис. 101. Доступность для растений питательных веществ в зависимости от pH почвы (С.
J. Pratt, 1970). (Ширина горизонтальной полоски на графике показывает растворимость
каждого элемента при различных значениях pH.)
При достаточной обеспеченности магнием, повышенных (на 25—20
%) дозах калийных удобрений и применении борных удобрений
известкование увеличивает продуктивность льна и картофеля.
Оптимальные показатели pH колеблются в слабокислой зоне (5,7—
7,0) и зависят от множества факторов: структуры посевных площадей
в севообороте, типа гранулометрического состава почвы,
обеспеченности ее гумусом, фосфором и других показателей.
5.6.4.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ РАСТЕНИЯМИ
Взаимоотношения растений в посеве носят очень сложный
характер. Их нельзя сводить только к конкуренции за питательные
вещества. Часто в смешанных посевах условия питания растений
значительно улучшаются. Например, вико-овсяная смесь имеет
благоприятный режим фосфатного питания за счет высокой
растворяющей способности бобового компонента. Убедительно
показана также возможность использования небобовыми растениями
азота, выделяемого корнями азотфиксирующих бобовых растений.
При совместном выращивании сои и овса в стерильных культурах,-не
содержащих азот, но зараженных клубеньковыми бактериями, могут
развиваться и соя, и овес. Весь нужный азот овес получает от сои.
При подборе соответствующих компонентов смеси можно более
полно использовать плодородие почвы и свет, чем при посеве чистой
культуры. Совместное возделывание растений с корневыми
системами, располагающимися в различных горизон-. тах почвы,
позволяет использовать питательные вещества почвы как верхних, так
и более глубоких ее слоев. Более эффективное использование
плодородия почвы может быть достигнуто также за счет несовпадения
во времени максимальной потребности в питательных элементах у
компонентов смеси.
Взаимное влияние растений при совместном выращивании
определяется также биохимическими воздействиями корневых
выделений. Такое химическое взаимодействие растений называетсяаллелопатией и подробно рассмотрено в разделе «Устойчивость
растений к биотическим факторам».
5.6.5.
ВЛИЯНИЕ РИЗОСФЕРНОЙ МИКРОФЛОРЫ
НА ПОГЛОЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВ
Корневая система растений окружена ризосферой, т. е. почвой,
которая непосредственно соприкасается с корнями. Она обогащена
корневыми выделениями, отмершими корневыми волосками и служит
питательной средой для микроорганизмов. Установлено, что в
ризосфере бактерий в сотни и тысячи раз больше, чем вне ее. Это
способствует более интенсивному протеканию здесь почвенных
процессов. Ризосферные микроорганизмы находятся в сложных и
многообразных взаимоотношениях с корневой системой растения,
оказывая большое влияние на ее поглотительную и синтетическую
функции. Эта живая масса дышит, выделяя значительные количества
диоксида углерода. Многие почвенные микроорганизмы образуют
минеральные кислоты — азотную и серную, а также органические
кислоты — уксусную, масляную и другие, ряд ферментов. Это
помогает растворению и превращению недоступных растениям
соединений в доступные. Кроме того, микроорганизмы выделяют
специфические вещества — витамины, регуляторы роста, антибиотики, оказывающие влияние на рост растений.
Еще большее влияние на усвоение из почвы минеральных и
органических веществ оказывает симбиоз корней с почвенными
грибами, впервые обнаруженный в 1882 г. Ф. М. Каменским. В 1885 г.
Г. Франк, рассматривая симбиоз корня высшего растения с мицелием
гриба как вполне сложившийся с морфологической точки зрения
орган, дал ему специальное название микоризы, что означает
грибокорень. Различают микоризу эктотрофную (внешнюю),
эндотрофную (внутреннюю) и эктоэндотрофную (переходную).
При эктотрофной микоризе гриб своими гифами рыхло оплетает
корневые окончания, одевая корни чехлом (рис. 102), который растет
вместе с ростом корня. Гифы внедряются в межклетники,
Рнс. 102. Микориза:
/ — эктотрофная микориза на корнях яблони; 2 — эндотрофная микориза на корнях черной
смородины
достигая эндодермы, но не исключена возможность их проникновения
в некоторые клетки. Микориза в этом случае берет на себя функции
корневых волосков.
При эндотрофной микоризе гриб проникает внутрь клеток коры,
образуя в них плотные клубочки, а отдельные гифы выходят наружу
корня. При наличии эндотрофной микоризы корневые волоски не
отмирают.
Эндотрофная микориза не всегда
резко отличается от экзотрофной. В
некоторых
случаях
гифы
экзотрофной микоризы в большом
количестве проникают в клетки,
образуя в них клубки, так же как это
имеет место в случае эндотрофной
микоризы.
Такую
микоризу
называют эктоэндотрофной.
Известно несколько десятков
видов грибов, в основном из класса
безидиомицетов,
принимающих
участие в образовании микоризы.
У большинства высших растений
поглощение питательных веществ из
почвы
и
рост
значительно
усиливаются, когда на их корнях
поселяются
грибы-микоризоВремя, дни
образователи (рис. 103).
Роль микоризы особенно велика в
Рис. 103. Влияние микоризы на
поглощении и переносе фосфора. скорость роста лука репчатого (F. Е.
Т. Sanders а. Р. В. Tinker, 1973):
Доказано также, что она
1 — с микоризой; 2—без микоризы
способствует поглощению растениями цинка, марганца и меди. Эти
элементы в почве слабоподвижны, и поэтому вокруг корневых
волосков и корней быстро образуются обедненные ими зоны. Сеть гиф
микоризных грибов распространяется на несколько сантиметров от
каждого заселенного ими корня и увеличивает таким образом объем
эффективно используемой почвы. Способность микоризы поглощать и
транспортировать фосфор, находящийся в почве, была показана в
опытах с радиоактивным 32Р. Помимо увеличения поглощающей
поверхности корней значение микоризных грибов заключается и в том,
что они могут извлекать фосфор из более разбавленного почвенного
раствора и использовать те его источники, которые обычно растениям
недоступны.
Проростки цитрусовых, имеющие микоризу, не получая фосфорных удобрений, достигали размеров проростков, не имеющих
микоризы, но получавших удобрения из расчета 560 кг фосфора на 1
га (рис. 104). Разные виды растений в различной степени зависят от
микоризных грибов. У цитрусовых снабжение фосфором в такой
степени определяется микоризой, что без нее они могут нормально
расти только при очень высоком содержании фосфора в почве. На фоне
высоких доз фосфорных удобрений микориза уже не является
эффективной и часто ее развитие подавляется. Для многих видов
определена степень увеличения роста в присутствии микоризы: для
пшеницы 220 %, кукурузы 122, лука 3155, земляники 250, туи 962 %
(П. Рейви с соавт., 1990).
Микоризные грибы присутствуют в большинстве растительных
сообществ, однако их количество может уменьшиться или они вообще
могут быть уничтожены в результате нарушения почвенного покрова,
например вследствие горных работ. Применение фунгицидов против
патогенных грибов также может
привести к гибели микоризы.
Поэтому часто рекомендуется
проводить инокуляцию растений
микоризными
грибами.
Эктомикоризные грибы можно
культивировать и полученный
вегетативный мицелий добавлять в
почву. Эндомико- ризные грибы
пока не удается выращивать в
чистой
культуре,
поэтому
Фоарорное удобрение,ке/га
производство их грибницы требует
применения горшечной культуры
Рис. 104. Ростовая реакция зараженных и
растения-хозяина. Споры гриба или
не зараженных микоризой сеянцев
корни колонизированного грибом
цитрусовых на внесение разного
растения,
полученные
из
количества фосфора (П. Рейвен, Р. Эверт,
горшечных культур, используют
С. Айкхорн, 1990):
для
инокуляции
почвы
в
/ — с микоризой; 2 — без микоризы
оранжереях и питомниках.
5.7. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
УДОБРЕНИЙ
Ведущая роль в повышении урожайности сельскохозяйственных
культур принадлежит удобрениям. В Подмосковье урожаи зерна
озимой пшеницы 3,5—4,0 т/га и их стабильность на 55— 60 %
определяются уровнем минерального питания и в 36 % случаев
изменения урожайности обусловливались непостоянством погодных
условий (И. С. Шатилов с соавт., 1988). Во многих хозяйствах низкая
урожайность связана с нарушением технологии, доз, сроков и способов
внесения удобрений. Рациональное использование удобрений
возможно лишь при комплексном подходе к химизации сельского
хозяйства, разработке и совершенствованию системы удобрения.
Система удобрения — это программа удобрений в севообороте с
учетом предшественников, плодородия почвы, климатических
условий, биологических особенностей растений и сортов, состава
удобрений. Система удобрения разрабатывается с учетом круговорота
веществ и их баланса в земледелии. Баланс питательных веществ
учитывает поступление их в почву с удобрениями, суммарный расход
на формирование урожая и непродуктивные потери из почвы.
Балансовый метод позволяет рассчитать дозу полного минерального
удобрения. Однако для получения высоких урожаев возникает
необходимость дифференцировать питание в процессе вегетации
растений, так как их потребность в питательных веществах
существенно меняется по фазам развития. Связано это со сложностью
взаимоотношения между минеральными элементами и накоплением
органического вещества.
Как уже отмечалось, только часть поглощаемых корнями минеральных элементов, главным образом азот, а также фосфор и сера
непосредственно входят в состав органических веществ. Основная же
роль катионов состоит в регуляции жизненных процессов, и их
воздействие на накопление органического вещества является не
прямым, а косвенным. Это ясно из того, что внесение в почву
удобрений приводит не только к увеличению в растениях общего
количества золы и азота, но главным образом к увеличению общего
количества органических веществ, большую часть которых
составляют углеводы, не содержащие минеральных элементов.
Минеральные вещества, особенно калий, магний, фосфор,
способствуют использованию продуктов фотосинтеза на новообразования, что приводит к усилению роста растений и увеличению
ассимилирующей листовой поверхности, особенно в первые
периоды развития растений. Установлено, что применение удобрений
увеличивает фотосинтетический потенциал посевов озимой пшеницы
в 1,4—1,8 раза, ячменя — в 1,4—2,2 и овса —в 1,1— 1,5 раза (И. С.
Шатилов с соавт., 1988). Увеличение рабо-. чей поверхности приводит
к значительному усилению накопления органического вещества не
отдельным листом, а всем растением, и тем самым к повышению
урожая.
Тесная связь между накоплением органических и минеральных
веществ объясняет, почему в засушливые годы полевые культуры на
черноземных почвах меньше отзываются на внесение удобрений, чем
при достаточном увлажнении. В условиях недостатка воды величина
урожая на черноземных почвах в первую очередь зависит от
количества доступной растениям влаги. При улучшении
водоснабжения путем орошения и в связи с этим усилении ростовых
процессов растения более отчетливо реагируют на внесение
соответствующих удобрений.
Надо иметь в виду, что и в условиях недостатка влаги некоторые
удобрения оказывают благоприятное влияние на растения, повышая их
устойчивость к частичному обезвоживанию. Так, фосфорные
удобрения ослабляют вредное действие засухи на растения за счет
увеличения количества коллоидно связанной воды и повышения
устойчивости коллоидов протоплазмы клеток. Кроме того, под
влиянием фосфора снижаются потери воды на транспирацию в
наиболее напряженные по водному балансу полуденные часы.
Так как минеральные вещества являются главным образом
регуляторами жизненных процессов для растений, очень важно
на определенных этапах развития (рис. 105).
При прорастании используются главным образом те запасы
минеральных веществ, которые уже имеются в семенах, и, кроме
того,
прирост
органического
оптимальное снаожение ими
вещества в это время еще
относительно невелик, поэтому
потребность в поглощении их из
почвы
в
это
время
еще
незначительна. Но она быстро
возрастает ко времени наиболее
энермассы растения, что отмечается в
периоды
интенсивного
образования
листовой
Май. Июнь Июль Август Кущение поверхности, цветения и завыход Полочная Полная в трубку
спелость спелость вязывания плодов. Прекращение
же общего накопления органигичного увеличения общей
Рис. 105. Интенсивность поступления эле
ментов питания и накопление сухого вещеческого
вещества во время
ства яровой пшеницей за один день в перисозревания
сопровождается
од вегетации:
/ — калий; 2 — азот; 3 — фосфор; 4 — сухое верезким снижением потребности
щество
растений в удобрениях и даже
обратным переходом части минеральных веществ из растений.
Растения имеют периоды максимального потребления питательных
веществ, когда в довольно сжатые сроки поступает большое
количество минеральных элементов. Для одних растений (лен,
конопля, яровые зерновые) этот период характеризуется очень
коротким сроком, для других (картофель, сахарная свекла)
свойственно более длительное поступление элементов минерального
питания.
Помимо периодов максимального потребления питательных
веществ растения имеют критические периоды потребления элементов
питания. Отсутствие в это время того или иного элемента может
нанести серьезный ущерб урожаю. Так, в период прорастания растения
очень чувствительны к недостатку фосфора, который способствует
хорошему развитию корневой системы, в период интенсивного
образования вегетативной массы — к недостатку азота.
Потребность в элементах минерального питания также тесно
связана с продолжительностью вегетационного периода сельскохозяйственных культур. Культуры и сорта с длинным вегетационным
периодом способны формировать значительно большее количество
органического вещества, а следовательно, потреблять и большее
количество элементов питания, чем растения с коротким периодом
вегетации. '
Пропашные культуры с вегетационным периодом 120—160 дней
образуют сухого вещества и выносят с урожаем минеральных
элементов в 1,5—3,0 раза больше, чем яровые зерновые культуры и лен
с периодом вегетации 90—120 дней.
Продолжительностью вегетационного периода обусловлено не
только общее потребление растениями элементов питания, но и
характер, динамика их потребления. Так, ранние сорта картофеля,
заканчивающие вегетацию за 90—100 дней, к завершению фазы
цветения поглощают 88 % азота, 66 — фосфора, 84 % калия от
суммарного потребления; для среднеспелых сортов эти показатели
составляют соответственно 59, 37 и 46 %. К концу созревания в
клубнях содержится до 80 % азота, 90 — фосфора и 35 % калия от
количества, которое растения усвоили на протяжении всего периода
вегетации (Т. Н. Кулаковская, 1990).
Высшие растения являются крайне автотрофными организмами и
для нормального роста и развития не требуют органических веществ.
В многочисленных опытах доказаны равноценность или даже
преимущества действия минеральных удобрений. Однако, признавая
положительную роль гумуса в плодородии почвы, следует
подчеркнуть, что увеличить или сохранить на оптимальном уровне
имеющиеся запасы органического вещества можно только при
совместном использовании органических и минеральных удобрений.
Эффективность навоза и минеральных удобрений связана с
биологическими особенностями культур. Как правило, действие
минеральных удобрений бывает более высоким на зерновых
культурах, а навоза — на плодовых и многолетних травах.
При изменении погодных условий, отклонениях в агротехнике
уровень урожаев обычно выше на почвах с достаточно высоким
содержанием органического вещества, а колебания урожаев по годам
меньше. В значительной степени это обусловлено и лучшим
использованием растениями вносимых элементов минерального
питания, лучшей обеспеченностью растений СОг, что создает
благоприятные условия для агрофитоценоза в образовании продуктов
органического синтеза.
Влияние гумуса на использование растениями питательных
веществ, как содержащихся в почве, так и вносимых с удобрениями,
приобретает особо важную роль в связи с применением высоких доз
удобрений. Внесение большого количества элементов питания, прежде
всего высокоподвижных форм азота и калия, может вызвать ряд
негативных последствий: избыточное накопление нитратов в
растениях и в почвенно-грунтовых водах, открытых водоемах. Только
при совместном применении минеральных и органических удобрений,
увеличении запасов гумуса в почве можно успешно разрешить
возникающие противоречия необходимости увеличения производства
сельскохозяйственной продукции и сохранения окружающей среды от
загрязнения.
При планировании высокой урожайности сельскохозяйственных
культур приходится вносить удобрения в больших дозах. Но при
единовременном внесении полного удобрения растения используют их
только наполовину или на треть, а коэффициент использования
фосфора часто составляет 1/б. Причиной такого слабого использования
удобрений является то, что они переходят в почве в труднодоступные
соединения или вымываются из почвы прежде, чем используются
растениями. В сухом климате верхние слои почвы пересыхают раньше,
чем успевает развиться корневая система, которая уходит в более
влажные нижние слои почвы. В результате часть внесенных в почву
удобрений остается лежать в сухих слоях почвы неиспользованной.
Кроме того, при таком способе внесения удобрений максимальное
их количество растения получают во время прорастания семян, когда
слишком высокие, дозы легкорастворимых удобрений (например,
калийных) могут затруднить поглощение воды проростками. А к
моменту усиленного роста растений и наибольшей их потребности в
удобрениях количество доступных питательных веществ в сфере
распространения корней успевает уже значительно уменьшиться.
Наиболее полно обеспечение растений в соответствующие фазы
развития элементами минерального питания достигается сочетанием
внесения основного удобрения с дополнительным в виде подкормок.
В ряде случаев применяют некорневые подкормки растений. В
принципе все надземные органы могут поглощать питательные
вещества. Это используют в плодоводстве, когда в отдельных случаях
ветви и стволы перед распусканием листьев опрыскивают
сравнительно высококонцентрированными растворами питательных
веществ. У облиственных растений некорневое питание
осуществляется главным образом листьями. Поступление ионов
происходит в растворенном состоянии в основном через кутикулу.
Поэтому поглощение тем активнее, чем дольше сохраняется на
поверхности листа водная пленка. Теоретически подкормки через
листья и через корни по своему влиянию равноценны. Однако при
проведении только некорневых подкормок в отдельных случаях
нарушается генеративное развитие растений, наблюдается более
быстрое старение листьев. •
Недостаток удобрения через листья заключается также в том, что
при опрыскивании можно использовать только разбавленные растворы
(0,5—2%-ные) и ввести небольшое количество питательных веществ,
хотя по сравнению с удобрением через корни они быстрее и полнее
усваиваются растениями. С по- • мощью некорневых подкормок
можно добиться целенаправленного результата, в частности, при
необходимости срочного внесения азота проводят подкормку
мочевиной или при появлении признаков дефицита фиксированных
почвой железа и микроэлементов опрыскивают растворами их хелатов.
Мочевина и хелаты имеют явное преимущество для некорневой
подкормки, так как их молекулы целиком попадают в лист, что предотвращает накопление сопутствующих ионов на поверхности листа.
Некорневые подкормки особенно эффективны, когда почва
обеднена элементами питания из-за усиленного их вымывания или,
наоборот, пониженной растворимости вследствие недостатка влаги,
неблагоприятного значения pH почвенного раствора. Кроме того,
низкие температуры почвы часто ослабляют поглощение через корни
и тем самым повышают эффективность некорневых подкормок.
Правильное построение системы удобрения невозможно без учета
генотипической специфики поглощения и усвоения ионов растениями.
Например, имеются сорта гречихи, эффективно поглощающие фосфор
из труднодоступных соединений. Это ценное свойство, связанное с
особенностями корневых выделений, генетически закреплено и
наследуется.
5.8. ОСОБЕННОСТИ ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ
В БЕСПОЧВЕННОЙ КУЛЬТУРЕ
ччо
Широкое использование в физиологических исследованиях водной
культуры обеспечило разработку и распространение методов
промышленного выращивания растений на питательных растворах,
которые получили название гидропоники («hydro» — вода и «ponos» —
работа).
В зависимости от среды, в которой развивается корневая система,
гидропонные методы могут быть разделены на три основные группы.
Водная культура, для эюго метода характерно отсутствие субстрата. Корневая система погружена непосредственно в питательный
раствор. Выращивание растений в водной культуре имеет различные
варианты, из которых наиболее перспективным, вероятно, является
технология тонкослойной проточной культуры (ТПК).
Субстратная культура. При этом способе выращивания корневая
система растений развивается в твердой среде (торф, древесная кора,
перлит, вермикулит, цеолит, песок, гравий, минеральная вата,
полистирол и др.). Обычно субстрат укладывают в виде грядок или
засыпают в полимерные контейнеры. Среда для выращивания
растений без почвы должна быть твердой опорой для поддержания
растений в вертикальном положении, не вступать в реакцию с
питательным раствором, иметь малую емкость поглощения,
непрерывно снабжать корни водой и растворенными в ней
питательными веществами, обеспечивать достаточную аэрацию
корневой системы.
С помощью автоматического устройства питательный раствор
подается снизу в искусственный субстрат и после увлажнения опять
стекает в резервуар. Уровень питательного раствора поддерживают на
3—4 см ниже поверхности субстрата, что снижает потерю воды
испарением субстрата и предотвращает появление на нем водорослей
и плесени. При поступлении питательного раствора происходит
временное (на 10—15 мин) вытеснение воздуха, содержащегося в
порах субстрата, но при стекании раствора все пространство между
частицами субстрата снова заполняется воздухом. Питательный
раствор образует вокруг частиц субстрата водные пленки, в которых
растворены минеральные вещества. Достаточное количество воздуха и
питательных веществ в зоне корневой системы обеспечивает быстрое
их поступление и усвоение растениями. Частота подачи раствора
зависит от величины частиц субстрата, фазы развития растений и
времени их выращивания (зимне-весеннее, осеннезимнее). В период
высадки рассады раствор обычно подают дважды в день. По мере роста
культур число подач раствора возрастает до 4—6 раз. Еженедельно
делают химический анализ питательного раствора и проводят
коррекцию его состава, раз в месяц раствор полностью заменяют. Из
данной группы методов широкое распространение получают
технологии выращивания растений на минеральной вате и торфе с
периодической подачей питательного раствора капельной системой
или другими способами орошения.
Аэропонная культура. Метод аэропонной культуры растений
предусматривает подачу питательного раствора к корням в виде
тумана (аэрозоля). Аэропоника была разработана в России В.
Арциховским еще в 1915 г., но, несмотря на ее преимущества, не
получила широкого распространения главным образом из-за проблем,
связанных с технологическим оборудованием.
В настоящее время успешно используют на большом числе
овощных, цветочных и других культур голландскую гидропонную
систему, при которой создаются два слоя питательного раствора —
аэрозоль у поверхности и циркулирующий раствор у основания.
Аэрозоль обеспечивает непрерывную аэрацию и способствует
быстрому корнеобразованию.
Наиболее важным фактором при беспочвенном питании растений
являются питательные растворы. Их готовят путем растворения
различных солей в воде. По своему составу они подобны почвенному
раствору и должны удовлетворять определенным требованиям.
Питательный раствор должен содержать все необходимые элементы в усвояемой форме и быть физиологически уравновешенным.
Общее содержание солей в питательном растворе не должно
превышать 2—3 г/л.
Физиологически уравновешенными являются те растворы, количество и соотношение ионов в которых исключают их вредное влияние.
Такие растворы обеспечивают нормальный рост, развитие и высокую
продуктивность растений. Физиологическая уравновешенность
раствора имеет особое значение в гидропонике, которая практически
лишена буферных свойств твердой фазы почвы. При составлении
физиологически уравновешенных растворов необходимо учитывать
разный характер взаимодействия ионов.
Растворы чистых солей оказывают токсическое действие на
организм растения или животного. Еще в конце прошлого века была
установлена ядовитость раствора чистой соли NaCl, концентрация
которого соответствовала концентрации морской воды. Достаточно
было добавить незначительное количество солей кальций и магния,
чтобы снять это ядовитое действие NaCl. Взаимодействие ионов, при
котором физиологический эффект воздействия смеси солей меньше,
чем действие каждой соли в отдельности, называется антагонизмом.
Антагонизм ионов проявляется как между разными ионами одной
валентности, например Na+ и К+, Na+ и NHJ, так и между ионами разной
валентности (К+ и Са2+, Na+ и Mg2+). Причем чем выше валентность,
тем больше антагонистическое действие иона. Так, для того чтобы
устранить ядовитое действие на проростки пшеницы односолевого
раствора КС1, надо добавить 30 % NaCl или 5 % СаС12. У анионов
антагонизм выражен слабее. В морской воде, которая является
природным физиологически уравновешенным раствором, отношение
сумм одновалентных катионов к двухвалентным равно 8—10. В основе
антагонистического действия ионов лежит их противоположное действие на физико-химические свойства протоплазмы, что отражается на
обмене веществ, а также конкуренция при усвоении их растениями.
Наблюдаются также синергизм и аддитивность в действии
компонентов солей. Синергическое действие ионов заключается в том,
что один из них усиливает действие другого. Например, катионы К, Са,
Mg оказывают стимулирующее действие на поглощение анионов NO3
и РО4. Нитратные и фосфатные анионы благоприятно влияют на
усвоение других элементов.
Аддитивность — это действие смеси солевых растворов, которое
равно сумме действия отдельных компонентов. Например,
осмотическое давление питательного раствора равно сумме парциальных осмотических давлений входящих в смесь солей.
При гидропонных технологиях первостепенное значение имеет
качество воды, на которой готовят питательные растворы. К наиболее
важным показателям относятся общая концентрация растворимых
солей; содержание натрия, хлора, бора и других элементов, усвояемых
растением в малой степени и при накоплении действующих токсично;
содержание бикарбонатов и их соотношение с суммарной
концентрацией Са и Mg; жесткость воды. Вода, пригодная для
гидропоники, должна содержать не более 30 мг/л натрия, 0,3 — бора,
50 мг/л хлора, количество бикарбонатных ионов не должно превышать
суммы ионов Са и Mg.
Наиболее благоприятная реакция питательного раствора для
усвоения почти всех элементов питания корнями растений 5,5— 6,5. В
процессе питания растения определенным образом воздействуют на
реакцию питательного раствора, с одной стороны, за счет кислотности
выделяемых корнями соединений (угольная кислота, низшие
карбоновые кислоты), а с другой — за счет различной скорости, с
которой они усваивают катионы и анионы растворимых солей.
Питательный раствор должен обладать определенной буферностью, т.
е. способностью противостоять изменению реакции среды.
Периодически необходимо проводить коррекцию pH, для чего
используют ортофосфорную или азотную кислоту.
Важным фактором успешного выращивания растений в гидропонике является хорошая аэрация питательного раствора, так как это
необходимое условие для поглотительной деятельности корней.
В настоящее время существует много рецептов питательных
растворов для конкретных сельскохозяйственных культур и условий
выращивания. Достаточно универсальной является смесь В. А.
Чеснокова и Е. Н. Базыриной. Она содержит в I л воды: Ca(NO3)2 —0,5
г, KNO3 — 0,4, КН2РО4-0,14, NH4NO3-0,16, MgSO4 — 0,28, (NH4)2SO4
— 0,13, FeCl3 — 0,06 г. Микроэлементы добавляют из расчета 0,1—0,5
мг/л.
Концентрацию питательного раствора меняют по мере роста и
развития растений. Проростки растений снабжаются питательными
веществами за счет запасов семени. Поэтому проращивание
целесообразно проводить на питательных растворах низких
концентраций. Во время интенсивного формирования листового
аппарата значение азотного питания особенно возрастает. Перед
цветением увеличивается потребность в фосфорно-калийном питании.
Установлено, что при обильном плодоношении листья нижних ярусов
значительно быстрее стареют, если в растворе преобладает аммиачная
форма азота. Для обеспечения более длительного плодоношения в
питательный раствор нужно включать на одну часть аммиачного азота
две и более части нитратного.
Усиление метаболизма корневой системы за счет дифференцированного питания в течение вегетационного периода, поддержание
необходимого воздушного режима (температура, концентрация СО2) и
дополнительное освещение обеспечивают более раннее созревание
овощей, повышают урожайность и качество продукции.
5.9.
НЕБЛАГОПРИЯТНОЕ ДЕЙСТВИЕ
НА РАСТЕНИЕ ИЗБЫТОЧНО ВЫСОКОГО УРОВНЯ
МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ
Интенсификация сельскохозяйственного производства в ряде
случаев связана с применением очень высоких доз минеральных
удобрений. Однако не только недостаток элементов минерального
питания, но и их избыток и несбалансированность оказывают
отрицательное влияние на растительный организм. Необходимо также
учитывать опасность загрязнения почвы тяжелыми металлами,
входящими в состав естественных примесей удобрений. Среди них
обнаруживают значительные количества меди, цинка, хрома, никеля,
стронция, урана.
Высокие дозы минеральных удобрений могут вызывать нарушение
физиологических функций, снижать устойчивость растений и
действовать как засоляющий фактор. Если удобрение вносят в
количествах, превышающих потребности растений, то урожайность
обычно не повышается, а качество продукции ухудшается.
Сельскохозяйственные культуры несколько различаются по
реакции на высокие концентрации солей. Наиболее устойчивыми
являются свекла, хлопчатник, люцерна, томат. К малоустойчивым
относят лен, гречиху, овес. Повышение содержания солей в почве до
0,5 % отрицательно сказывается на большинстве сельскохозяйственных культур. Высокая концентрация почвенного
раствора затрудняет поглощение воды растениями. Это связано с
осмотическим эффектом, увеличивающимся с возрастанием концентрации раствора, а также с подавлением клеточного деления и
снижением роста корней.
Избыточно высокий уровень минерального питания нарушает
условия поступления веществ в растения. Это обусловлено увеличением конкуренции между ионами, изменением проницаемости
мембран, подавлением энзиматической активности и нарушением
энергетических процессов.
Повышенное содержание в почве подвижных форм фосфора и меди
в результате длительного применения высоких доз фосфорных
удобрений и медьсодержащих фунгицидов способствует нарушению
питания цинком и вызывает розеточность и мелко- листность
плодовых деревьев (В. М. Тарасов, 1980).
Избыточное азотное питание часто приводит к недостатку
образования сахаров в растениях и накоплению нитратов, что
ухудшает качество сельскохозяйственной продукции, затрудняет ее
хранение и переработку (квашение капусты, силосование кормов).
Одностороннее избыточное азотное питание отрицательно влияет на
устойчивость растений к различным заболеваниям, например,
усиливает фитофтороз картофеля и табака. Повышение концентрации
тяжелых металлов вызывает серьезные анатомо-физиологические
изменения в растениях. В условиях избытка марганца наблюдается
снижение содержания хлорофилла в листьях и активности ферментов
группы железопорфиринов. Большие количества никеля вызывают
склеивание хлоропластов, лизис их содержимого.
Внесение в почву высоких доз минеральных удобрений крайне
неблагоприятно сказывается на плодородии почвы. На малобуферных
почвах при внесении физиологически кислых удобрений в почвенный
раствор переходят соединения алюминия, оказывающие токсическое
действие на растения и микроорганизмы почвы. Токсичность этого
элемента проявляется в нарушении поступления необходимых
элементов минерального питания, повреждении протопласта,
изменении активности ферментных систем.
Рассмотренные негативные свойства применения избыточно
высоких доз удобрений не могут служить причиной полного отказа от
них, так как это вызовет катастрофическое снижение производства
продовольствия.
Необходимо
совершенствовать
технологии
производства и использования удобрений, при которых были бы
полностью исключены все нежелательные последствия. Дозы
удобрений следует определять с помощью балансовых расчетов на
основании знаний о выносе питательных веществ с урожаем и
коэффициентов использования питательных веществ из почвы и
удобрений с учетом величины планируемого урожая. Введение
противоэрозионных систем земледелия, известкование кислых почв,
использование гранулированных и медленно растворяющихся
удобрений повышают их эффективность и предотвращает загрязнение
среды.
Контрольные вопросы
I. В чем заключается структурообразовательная роль Са и Mg в клетке? 2. На листьях
какого яруса в первую очередь обнаруживаются симптомы недостатка фосфора и калия? 3.
В чем сущность апопластического и симпластического транспорта веществ в растении? 4.
С какими физиологическими процессами наиболее тесно связана поглотительная
деятельность корневой системы? 5. Какова зависимость усвоения различных форм азота от
pH среды? 6. На каком из этапов онтогенеза значение реутилизации для растения
становится особенно важным? 7. Каковы основные преимущества выращивания растений
на тонком питательном слое по сравнению с выращиванием в питательном растворе? 8.
Какие функциональные расстройства наблюдаются при избыточном и несбалансированном питании растений?
Глава 6
ОБМЕН И ТРАНСПОРТ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
В РАСТЕНИЯХ
Растительный организм представляет собой сложную самоорганизующуюся и саморегулирующуюся биологическую систему, в
которой постоянно происходят процессы синтеза, распада и превращения органических веществ, направленные на поддержание его
жизненных функций при изменяющихся условиях внешней среды.
Главная особенность растений, отличающая их от других организмов,
— способность синтезировать огромный набор простых и сложных
органических соединений из воды, диоксида углерода и минеральных
веществ, используя при этом в качестве первоисточника энергии
кванты света, т. е. для них характерен автотрофный (фототрофный)
тип питания.
Однако внутри растения между его органами и тканями наблюдается довольно выраженное разделение функций и собственно
автотрофный тип питания имеют лишь клетки, в которых происходит
фотосинтез, тогда как все другие клетки растительного организма
питаются гетеротрофно и поэтому зависят от поступления в них
органических веществ, образующихся в фотосинтезирующих тканях.
В связи с этим важную роль в обеспечении взаимосвязи между
клетками организма, а также его тканями и органами играет транспорт
веществ, осуществляемый с помощью специальных транспортных
систем.
Органические вещества, поступающие в те или иные клетки по
транспортным системам растения, используются в них как источники
энергии и биохимические предшественники для образования
структурных компонентов клетки и целых органов, различных
запасных веществ, а также большого набора биологически активных
соединений, выполняющих каталитические, регуляторные, защитные
и другие функции.
В каждой клетке растительного организма одновременно протекают тысячи реакций, которые катализируются ферментами и
осуществляются в нужном направлении с помощью систем регуляции,
обеспечивающих
согласованный
ход
всех
биохимических
превращений. Всю совокупность биохимических реакций, происходящих в процессе жизнедеятельности организма, принято называть
метаболизмом или обменом веществ, а различные продукты таких
реакций — метаболитами. Последовательности биохимических
реакций, связанных с биосинтезом и превращениями определенных
химических веществ или групп структурно близких соединений,
называют метаболическими путями, которые очень часто
организованы в виде циклических процессов и некоторые из них уже
были рассмотрены ранее.
6.1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
В РАСТИТЕЛЬНОМ ОРГАНИЗМЕ
В любом живом организме обмен веществ складывается из двух
противоположно направленных процессов, идущих с поглощением
или выделением энергии, — анаболизма и катаболизма. В ходе
анаболических процессов в клетках организма происходит синтез
сложных органических веществ из более простых соединений,
требующий для своего осуществления значительной затраты энергии,
которая высвобождается в катаболических процессах, связанных с
распадом крупных молекул и последующим окислением
образующихся метаболитов. Следовательно, анаболические и
катаболические процессы тесно связаны между собой и поэтому
ускорение биосинтетических реакций почти всегда сопровождается
усилением распада веществ.
Как уже отмечалось, первичным источником энергии для растений
являются кванты света. Хлоропласты фотосинтезирующих клеток с
помощью фотохимических систем превращают энергию света в
химическую
энергию
макроэргических
связей
АТФ
и
восстановленных форм нуклеотидов НАДФ Н, которые далее
участвуют в синтезе углеводов и других соединений. Значительное
количество образующихся в листьях органических веществ,
превращаясь в их транспортные формы, переносятся в другие органы
растения, где происходит катаболический распад этих соединений,
сопровождающийся выделением энергии. Причем эта энергия не
теряется, большая ее часть используется для образования АТФ и
восстановленных форм нуклеотидов (НАД-Н, ФАДН2, НАДФ Н),
которые затем участвуют в анаболических процессах синтеза новых
органических веществ.
В процессе катаболизма происходит постепенный и многоступенчатый распад сложных органических соединений. На определенных стадиях такого распада у живых организмов выработаны
механизмы синтеза АТФ и восстановленных нуклеотидов, обеспечивающих таким образом связывание выделяющейся при распаде
веществ энергии и перенос ее к биосинтетическим центрам, где
протекают анаболические процессы.
На первых этапах распада веществ преимущественно происходят
гидролитические процессы, в результате которых из сложных
углеводов (олиго- и полисахаридов) образуются моносахариды, белки
гидролизуются до аминокислот, жиры превращаются в глицерин и
жирные кислоты (рис. 106). Все эти реакции катализируются
соответствующими гидролитическими ферментами и
Сложные
углеводы
Белки
Моносахариды
Аминокислоты
Липиды
Глицерин
Жирные
кислоты
Гликолиз
АТФ
НАД ■ Н
СО2
НАДН
р-окисление
NH3
Пировиноградная
кислота
СО2
НАД - Н
НАД • Н
ФАД • Н2
Ацетилкофермент А —
Т
а-кетоглутаровая
кислота
Пентозофосфатный
цикл
Цикл
Кребса
НАДФ • Н
СО2 + Н2О
Щавелевоуксусная
--------- кислота
НАД ■ Н г Окислительное V
фосфорилиро- .
вание
ФАД ■ Н2,
АТФ
’ Н О °2 АТФ Н2°
Рис. 106. Схема распада важнейших органических веществ
сопровождаются сравнительно небольшим изменением свободной
энергии.
На следующей стадии в результате окисления моносахаридов,
жирных кислот, глицерина, аминокислот образуются три важных
метаболита, занимающих центральное положение в обмене веществ,
— ацетилкофермент А, щавелевоуксусная и а-кетоглутаровая
кислоты. Через эти метаболиты осуществляется взаимопревращение
многих органических веществ в организмах, в том числе белков,
липидов, углеводов.
Большая часть моносахаридов, образовавшихся в результате
гидролиза олиго- и полисахаридов, окисляется в реакциях анаэробной
фазы дыхания (гликолиза), и конечный продукт этой фазы —
пировиноградная кислота — далее путем окислительного
декарбоксилирования превращается в ацетилкофермент А. Кроме
ацетилкофермента А в этих окислительных реакциях образуются
также восстановленные нуклеотиды НАДН.
При усилении биосинтетических реакций, в которых необходимы
НАДФ-Н, пентозы и эритрозо-4-фосфат, происходит активирование
ферментов пентозофосфатного цикла, и в таких условиях
значительное количество гексоз окисляется с образованием этих
метаболитов.
Основной механизм распада жирных кислот — р-окисление, в
результате которого образуются ацетилкофермент А и восстановленные нуклеотиды НАД-Н и ФАДНг- Другой продукт гидролиза
липидов — глицерин, как и моносахариды, подвергается окислению в
реакциях гликолиза. Многие аминокислоты в процессе окисления
также образуют ацетилкофермент А. Такие аминокислоты, как
глутаминовая, гистидин, пролин, аргинин, в процессе окисления
превращаются в а-кетоглутаровую кислоту. Ряд других аминокислот
(аспарагиновая, фенилаланин, тирозин) образуют ща- велевоуксусную
кислоту. На определенных этапах окисления аминокислот также
возможен синтез восстановленных нуклеотидов.
Все три продукта данной стадии окисления — ацетилкофермент А,
щавелевоуксусная и а-кетоглутаровая кислоты — далее включаются в
реакции цикла Кребса и полностью окисляются до диоксида углерода
и воды. В ряде реакций этого цикла образуются восстановленные
нуклеотиды НАД Н и ФАД Нг, а при фосфоролизе макроэргического
сукцинилкофермента А из АДФ и неорганического фосфата
синтезируется АТФ.
Восстановленные нуклеотиды, образуемые в реакциях гликолиза,
р-окисления жирных кислот и цикла Кребса, могут принимать
непосредственное участие в биосинтетических реакциях, однако
большая их часть выполняет роль доноров электронов в системе
окислительного фосфорилирования, где их энергия используется для
синтеза макроэргических связей АТФ. Всего в процессах катаболизма
на синтез АТФ используется до 60 % общего количества энергии,
которая выделяется при окислении органических веществ в живом
организме.
Реакции синтеза органических соединений, происходящие в
клетках и тканях растений, сопровождаются увеличением их
внутренней энергии и поэтому могут осуществляться лишь при
сопряжении с другими реакциями, в ходе которых выделяется
свободная энергия. Для того чтобы сопряжение таких реакций было
возможным, должны выполняться по крайней мере два условия.
Первое заключается в том, что в катаболической реакции должно
выделяться больше свободной энергии, чем поглощается в реакции
синтеза, следовательно, в ходе сопряженных реакций, как и при
любом самопроизвольном процессе, происходит уменьшение
свободной энергии. Вторым требованием, не
о
обходимым для осуществления сопряженных реакций, является
наличие переносчика энергии, роль которого обычно выполняют
промежуточные продукты, общие для этих реакций.
Как указывалось ранее, выделяемая в ходе катаболических
реакций свободная энергия связывается и запасается в виде АТФ и
восстановленных нуклеотидов, которые способны вступать в
сопряженные реакции синтеза веществ и передавать значительную
часть запасенной в них энергии для образования новых соединений,
являющихся продуктами этих реакций.
Очень часто в ходе реакций синтеза веществ происходит активирование различных метаболитов путем их фосфорилирования с
участием АТФ. При этом образуются фосфорные эфиры этих
соединений, обладающие более высокой реакционной способностью.
Например, моносахариды в свободном виде не могут участвовать в
ферментативных превращениях, для того чтобы вступить в реакцию,
они
сначала
фосфорилируются
с
участием
ферментов
фосфотрансфераз или киназ.
®ОН2С п ОН
НС + АДФ
Н]
[ СН2ОН
он н
+ АТФ фруктокиназа
фруктозо-6-фосфат
P-D-фруктоза
При фосфорилировании фруктозы, по существу, проходят две
сопряженные реакции: взаимодействие фермента с АТФ,
сопровождающееся образованием АДФ и уменьшением свободной
энергии (AGГ' = —31 кДж*моль-1), и синтез фосфоэфир- ной связи
фрукгозо-6-фосфата, в ходе которого свободная энергия
увеличивается (AG2°' = 16 кДж* моль-1). Таким образом, общее
количество свободной энергии в процессе осуществления этих
сопряженных реакций уменьшается (AG°' = AG Г' + AG2°Z = —15
кДж- моль-1) и, следовательно, они могут протекать самопроизвольно.
В процессе активирования молекул жирных кислот за счет
гидролиза двух макроэргических связей АТФ происходит сопряженная реакция синтеза макроэргической тиоэфирной связи С-S
ацетилкофермента А.
АТФ -"-х х->- R—C~S—КоА
—। Y
AG
= —42 кДж
АМФ + Н4Р2О7
о»
-
• моль I AG = +37 кДж • моль
R-COOH + HS-KoA
В клетках организмов изучено много биосинтетических реакций,
сопряженных с гидролизом АТФ, в ходе которых происходят
процессы карбоксилирования и декарбоксилирования, синтеза
амидных связей, образования макроэргических соединений,
способных переносить энергию от АТФ к анаболическим реакциям
синтеза веществ. Эти реакции играют важную роль в процессах
обмена веществ растительных организмов.
С участием АТФ и других макроэргических нуклеозидполифосфатов (ГТФ, ЦТФ, УТФ) может происходить активирование
молекул моносахаридов, аминокислот, азотистых оснований, ацил
глицеринов путем синтеза активных промежуточных соединений,
являющихся производными нуклеотидов. Так, например, в процессе
синтеза
крахмала
с
участием
фермента
АДФ-глюкозопирофосфорилазы образуется активированная форма глюкозы—
аденозиндифосфатглюкоза, которая легко становится донором
глюкозных остатков при формировании структуры молекул этого
полисахарида.
СН2ОН
СН2ОН
Н > ---- О н
н 1__о н
|\ОН Н/ + АТФ -------------------- ► Кон Н/ + Н4р2°7
НО N-—VО®
НО N——VО-АДФ
Н НО
н но
глюкозо-1 -фосфат
АДФ-глюкоза
Кроме АТФ в процессе катаболических реакций образуются
молекулы восстановленных нуклеотидов НАД Н, НАДФ-Н, ФАД Нг,
которые также способны связывать свободную энергию, выделяемую
при распаде веществ, и затем участвовать в процессах анаболизма. Как
правило, НАД-Н и ФАД-Нг являются первичными донорами
электронов в системе окислительного фосфорилирования,
обеспечивающей синтез АТФ в клетках растительного организма, в
которых не проходят фотохимические реакции. В то же время
установлено, что восстановительные реакции биосинтеза веществ для
своего осуществления требуют в качестве восстановителя НАДФ-Н.
В цитоплазме растительных клеток, где происходят многие
восстановительные реакции синтеза веществ, отношение концентраций НАДФ-Н/НАДФ+ с помощью регуляторных систем
поддерживается на высоком уровне, тогда как отношение
НАДН/НАД4" очень мало. Последнее обусловлено тем, что в
биохимических реакциях, происходящих в цитоплазме клеток,
нуклеотидная система НАД+/НАД-Н, обладающая высоким
окислительным потенциалом, чаще всего выполняет роль акцеп-
Глицин
Г
Эритрозе фосфат-*— 3-фосфоглицсриновый
пиперин
г-Рибозо--*- Фруктом>-1-фосфат
Моноса-^Ц^Сложные
альдегид
лоризмовая кислота фосфат
1А
хариды углеводы
Ароматические*аминокислоты,
триптофан,
фенолы
ЛТТ
Аланин,
валин,
изолейцин
Аминокислоты —
семейства
аспарагиновой
кислоты
Фосфоенолпирови- Г
ноградная кислота
„
Гистидин Липиды —
И
i
Пировиноградная—► Ацетил ко-Жирные
кислота
фермент А
кислоты
Щавелевоуксусная-<— Янтарная
кислота
кислота
ПиримидиноПуриновые а-кетоглутаровая
вые нуклео- нуклеотиды кислота
кислоты
±
Глиоксилатный
никл
Лизин
Аминокислоты
семейства
глутаминовой
кислоты
Рис. 107. Основные пути синтеза и превращения важнейших групп химических
веществ в растительном организме
тора электронов и протонов при окислении различных метаболитов.
В хлоропластах фотосинтезирующих клеток растений содержится
еще более сильный восстановитель, чем НАДФ-Н, — восстановленный ферридоксин, имеющий стандартный окислительновосстановительный потенциал (при pH 7) —0,41 В (тогда как у НАДФсистемы —0,32 В). С участием этого восстановителя происходят
многие биохимические реакции в фотосинтезирующих клетках
растений (восстановление нитритов, синтез глутаминовой кислоты,
образование НАДФ-Н и др.).
Кроме указанных биохимических механизмов, реализуемых ■
клетками растений в процессе анаболизма, в ходе обмена веществ
происходят и другие реакции синтеза и превращения веществ,
связанные с внутримолекулярным и межмолекулярным переносом
определенных группировок, отщеплением и присоединением к молекулам синтезируемых веществ различных радикалов, изомеризацией, образованием биополимеров.
Процессы, лежащие в основе анаболизма растений, включают
большое разнообразие метаболических путей, связанных с синтезом
определенных групп химических соединений, образуемых из одного
биохимического предшественника. В растительном организме
первичным продуктом фотосинтеза является 3-фосфогли- цериновая
кислота, из которой далее образуются все остальные
углеродсодержащие соединения.
В результате реакций, происходящих в цикле Кальвина и
гликолизе, 3-фосфоглицериновая кислота очень легко превращается в
3-фосфоглицериновый
альдегид,
фруктозо-6-фосфат
и
фосфоенолпировиноградную кислоту, которые способны к взаимопревращениям и являются важнейшими предшественниками в
синтезе практически всех органических соединений (рис. 107). В свою
очередь, фосфоенолпировиноградная кислота является ближайшим
биохимическим
предшественником
пировиноградной,
щавелевоуксусной и а-кетоглутаровой кислот, образующих метаболические пути синтеза многих аминокислот, жирных кислот и
нуклеотидов, превращения липидов в углеводы.
Рассматривая метаболические пути синтеза различных химических веществ, следует отметить, что они включают не только
биосинтетические реакции, связанные с поглощением энергии и
усложнением структуры их молекул, но и определенные катаболические стадии, сопровождающиеся деградацией химических
соединений и выделением свободной энергии. Поэтому в ходе обмена
веществ часто трудно определить, на каком этапе заканчивается
синтез веществ и начинается их биологический распад.
6.2. ТРАНСПОРТ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
ПО ФЛОЭМЕ
и
Важным звеном в обмене веществ растительного организма
является транспорт органических соединений, обеспечивающий
перенос различных метаболитов, энергетических продуктов и физиологически активных веществ как внутри клетки, так и между
клетками организма, входящими в состав отдельных тканей и органов
растения. Главное направление перемещения метаболитов в зеленом
растении — это отток продуктов фотосинтеза из листьев в другие
органы: стебель, корень, цветки, плоды, клубни, луковицы и другие
структуры, предназначенные для запасания органических веществ.
Транспортную функцию выполняют элементы сосудистой системы
растения, называемые флоэмой. В состав флоэмы входит несколько
типов специализированных клеток, включающих ситовидные
элементы, клетки-спутники и па
ренхимные клетки, волокна и склереиды. Все они выполняют разные
функции, но находятся в тесном взаимодействии.
Основные элементы флоэмы, по которым осуществляется
транспорт веществ, — ситовидные трубки и клетки-спутники,
которые образуют единую транспортную систему. Причем каждый
ситовидный элемент соединен с помощью плазмодесм с одной или
несколькими клетками-спутниками, возникающими из одной и той же
меристематической клетки, что и данный ситовидный элемент.
Торцевые концы ситовидных трубок образуют перегородки в виде
ситовидных пластинок, имеющих поры, через которые проходят
плазмодесмы, соединяющие соседние ситовидные элементы (рис.
108).
В отличие от сосудов ксилемы, представляющих мертвые
структуры, ситовидные трубки являются живыми клетками, у
которых, однако, цитоплазма занимает небольшой объем, образуя
тонкий периферический слой вдоль клеточной стенки. В цитоплазме
таких клеток содержится очень много пластид, слабо развиты
мембранные системы эндоплазматического ретикулума и нет ядра,
которое в процессе формирования флоэмы полностью отмирает.
В порах ситовидных пластинок обнаружены полисахарид каллоза
и флоэмный белок (Ф-белок), имеющий фибриллярную структуру.
Последний также содержится и во внутреннем пространстве
ситовидной трубки. Наиболее вероятные функции каллозы и Ф-белка
— участие в транспорте и предотвращении по
повреждении ситовидных трубок,
терь органических веществ при вызывая под давлением закупорку
пор ситовидных пластинок.
Ситовидные трубки флоэмы
многочисленными плазмодес- мами
связаны с сопровождающими их
клетками-спутниками,
которые
имеют крупное ядро, довольно
плотную цитоплазму с большим
количеством
митохондрий
и
рибосом, что свидетельствует о
высокой
Рис. 108. Схема строения ситовидной
трубки с клетками-спутниками:
1 — клетки-спутники; 2 — вакуоли; 3 — аппарат
Гольджи; 4 — гранулярный эндоплазматический
ретикулум; 5—ядро; 6— митохондрии; 7—свободные
рибосомы; 8—элемент ситовидной трубки; 9 —
клеточная стенка; 10— плазмодесмы; 11 — гладкий
эндоплазматический ретикулум; 12—пластиды; 13 —
флоэмный белок в ситовидных порах; 14 —
активности
проходящих в них биохимических
процессов. На тесную связь клетокспутников с находящимися рядом
ситовидная пластинка с порами
ситовидными трубками указывает высокая плотность плазмодесм,
которых в этих структурах во много раз больше, чем в стенках
клеток любых других тканей.
Ситовидные трубки и клетки-спутники обычно окружены паренхимными клетками, с участием которых происходит перенос
веществ к сосудам флоэмы. В составе проводящих тканей, в том числе
и флоэмы, находятся также одревесневшие клетки склеренхимы в
виде волокон или склереид, повышающих механическую прочность
сосудистых систем.
Флоэмные элементы стеблей растений образуют довольно
сложную систему, состоящую из параллельных пучков ситовидных
трубок, которые, по мере того как переходят в листья, содержат
меньше проводящих клеток, и самые мелкие сосуды — одну
ситовидную трубку с ее сопровождающими клетками. Проводящая
система листовой пластинки имеет много ветвлений, и ее общая длина
в расчете на 1 см2 поверхности листа может достигать 1 м, так что на
каждое флоэмное окончание приходится всего лишь по нескольку
клеток мезофилла листа. От клеток мезофилла продукты фотосинтеза
перемещаются к ближайшему малому пучку.
Очень часто между элементами флоэмы и клетками мезофилла
находятся передаточные клетки, которые выполняют функцию
переноса веществ к ситовидным трубкам. Клеточные стенки у них
имеют многочисленные внутренние выросты, увеличивающие
площадь плазмалеммы. Передаточные клетки способны поглощать
фотоассимиляты из соседних клеток мезофилла и передавать их через
хорошо развитые утолщенные плазмодесмы клеткам флоэмы.
Органические вещества передвигаются по флоэме в растворенном
состоянии в двух направлениях — вверх и вниз, что отличает ее от
ксилемы, по которой поток транспортируемых веществ направлен
только вверх. Одновременное перемещение веществ по флоэме в
противоположных направлениях, по-видимому, происходит по
разным ситовидным трубкам.
Более 80 % растворенных во флоэмном соке веществ составляет
дисахарид сахароза, которая служит основной транспортной формой
углеводов. Ее концентрация в жидкой фазе ситовидных трубок может
достигать 1 моль/л, тогда как в клетках мезофилла листа она в 10—30
раз ниже. По флоэме могут также переноситься и другие
олигосахариды, восстановленные формы моносахаридов — спирты,
фосфорные эфиры моносахаридов. У злаковых, лилейных и
некоторых других растений транспортной формой углеводов кроме
сахарозы могут служить олигосахариды, состоящие из остатков
фруктозы, — фруктозиды.
Азотистые вещества транспортируются в растениях преимущественно в виде аминокислот и их амидов, концентрация которых во
флоэмном соке составляет 10—15 ммоль/л. В соке флоэмы
обнаружены также низкомолекулярные белки. Кроме того, в небольшом количестве в нем содержатся органические кислоты,
витамины, фитогормоны (ауксины, гиббереллины, цитокинины),
наблюдается довольно высокая концентрация АТФ — 0,4— 0,6
ммоль/л. Из неорганических веществ во флоэме очень много ионов
калия (до 200 ммоль/л). Флоэмный сок имеет слабощелочную реакцию
(pH 8,0—8,5). Аминокислоты и амиды, синтезируемые в корнях, в
значительном количестве переносятся по ксилеме, и их концентрация
в ксилемном соке достигает 1,0— 2,5 ммоль/л.
Органические вещества передвигаются по флоэме с довольно
высокой скоростью — 20—100 см/ч. Например, у двудольных
растений через 1 см2 поперечного сечения ситовидных трубок за 1 мин
проходит 0,2—0,5 г сухого вещества.
За передвижением органических веществ по транспортным
системам растения очень легко проследить с помощью радиоиндикаторов. Для этого проводится экспозиция листьев растения в
атмосфере меченной 14С углекислоты, в результате чего углекислота в
ходе реакций фотосинтеза включается в углеводы и затем в форме
сахарозы переносится по флоэме в корни, где происходит синтез
аминокислот. В составе аминокислот 14С углекислоты может быть
снова обнаружен в листьях. На каждом участке транспорта меченные
14
С соединения обнаруживаются с помощью радиоавтографии или
индикатора радиоактивности.
Микрорадиоавтография срезов стебля растения показывает, что из
листьев в корни 14С-сахароза передвигается именно по ситовидным
трубкам флоэмы. С использованием радиоактивного изотопа водорода
трития, вводимого в сахарозу или аминокислоты, установлено, что
транспорт этих органических веществ осуществляется по
параллельным ситовидным трубкам, причем одновременно как вверх,
так и вниз, но по каждой ситовидной трубке лишь в одном
направлении.
Весьма наглядные результаты, доказывающие передвижение
органических веществ по флоэме, были получены в опытах с
кольцеванием деревьев, у которых в коре находится флоэма, а в
древесине — ксилема. На стволе дерева по окружности вырезается
часть коры и таким образом прерывается флоэмный транспорт
веществ в ту часть ствола дерева, которая находится ниже кольцевого
выреза коры, вследствие чего рост в нижней части ствола замедляется.
Из перерезанной флоэмы начинает вытекать сок, содержащий
сахарозу и другие органические соединения. У некоторых деревьев
концентрация сахарозы во флоэмном соке настолько высокая, что этот
сок собирают и используют для получения сахара (сахарный клен,
сахарная пальма).
Общее направление транспорта органических веществ в растении
определяется локализацией и интенсивностью биохимических
процессов, связанных с их потреблением. Такие процессы постоянно
протекают в зонах роста (корневые и стеблевые меристемы, молодые
листья, цветки, плоды), где происходит новообразование клеток и
клеточных структур, а также в запасающих органах и тканях (семена,
клубни, луковицы, стебли, корнеплоды и др.), в которых на
определенных этапах онтогенеза инициируется синтез запасных
веществ, связанный с активным поглощением фотоассимилятов и
превращением их в нерастворимые в воде высокомолекулярные
соединения или структурные элементы запасающих органов.
Клетки и ткани растений, в которых происходит интенсивное
потребление органических веществ, передвигающихся по транспортным системам растений, называют аттрагирующими или акцепторными зонами, а центры образования метаболитов, подлежащих
оттоку в акцепторные зоны, — соответственно донорами. Главные
доноры ассимилятов в растении — фотосинтезирующие ткани, в
которых осуществляется первичный синтез органических веществ. На
определенных этапах онтогенеза донорами веществ для транспорта к
акцепторным зонам могут быть вступающие в фазу старения листья,
запасающие ткани и органы растения.
В формировании и поддержании в активном состоянии постоянно
существующих в растении акцепторных зон важнейшую роль играют
фитогормоны и другие эндогенные регуляторы биохимических
процессов, способные вызывать активацию генов, индукцию и
репрессию синтеза ферментов, оказывать влияние на проницаемость
клеточных мембран и функционирование систем трансмембранного
переноса ионов и веществ-метаболитов. Участие фитогормонов в
процессах обмена и транспорта веществ в растительном организме
можно выразить в виде следующей схемы.
-
Согласно этой схеме на определенных этапах онтогенеза активируется синтез гормонов, оказывающих влияние, с одной стороны,
на формирование акцепторных зон (зоны роста и синтеза запасных
веществ) и интенсивность проходящих в них биохимических
процессов, а с другой — на рост, развитие и функциональную
активность фотосинтезирующих тканей, в результате формируется
направленный поток органических веществ от тканей-доноров к
аттрагирующим центрам.
Как установлено, ауксины активируют процессы деления и роста
клеток растяжением, синтез РНК и белков, функционирование Н+помп и связанный с ними транспорт веществ через мембраны клеток;
все это приводит к тому, что усиливается поглотительная активность
клеток и тканей, где находятся эти гормоны, и происходит
формирование акцепторной зоны. Под действием гиббереллинов
активируется деление клеток в зонах роста, индуцируется синтез
ферментов, участвующих в новообразовании клеточных структур и
запасных веществ, а также мобилизации запасных веществ во время
прорастания семян.
Заметное действие на поддержание аттрагирующей способности
тканей оказывают цитокинины, которые совместно с ауксинами
способны активировать деление клеток и их рост растяжением,
индуцировать синтез ферментов, участвующих в новообразовании
клеточных структур в зонах роста и фотосинтезирующих тканях. В
отличие от ауксинов, гиббереллинов и цитокининов абсцизовая
кислота ингибирует многие физиолого-биохимические процессы, в
том числе и транспорт веществ, оказывая замедляющее действие на
функционирование Н+-помп.
Механизмы флоэмного транспорта органических веществ в
растениях до конца еще не выяснены и объясняются в виде гипотез,
проходящих экспериментальную проверку. Наиболее признаны две
гипотезы — массового потока растворенных веществ под давлением
и электроосмотическая.
Первая гипотеза была впервые сформулирована Э. Мюнхом в
1926—1930 гг. Согласно ей между фотосинтезирующими клетками,
где образуются органические вещества, и зонами активного
потребления ассимилятов (корень, плоды, клубни и др.) создается
осмотический градиент, трансформирующийся в ситовидных трубках
в градиент гидростатического давления, в результате чего возникает
направленный поток жидкости от органа-донора к органу-акцептору
(рис. 109). Создание повышенной концентрации органических
веществ в ситовидных трубках, составляющих флоэмные окончания в
листьях, происходит путем активного транспорта с затратой
значительного количества метаболической энергии.
Поступление органических веществ в ситовидные трубки усиливает в них осмотическое давление и вызывает приток воды из
Рис. 109. Механизм транспорта органических веществ
в соответствии с гипотезой Э. Мюнха:
А — зона загрузки ситовидных трубок ассимилятами, имеющая
повышенное осмотическое и гидростатическое давление (флоэмные
окончания в листьях, где происходит загрузка флоэмы); Б — зона
потребления ассимилятов клетками-акцепторами, имеющая пониженное
осмотическое и гидростатическое давление (флоэмные окончания в
акцепторной зоне); В — движение раствора органических веществ по
ситовидным трубкам в направлении аттра- гирующей зоны
ксилемы, вследствие чего создается зона повышенного гидростатического давления. В акцепторной зоне, наоборот, происходят поглощение низкомолекулярных органических соединений и использование их на синтез
высокомолекулярных запасных веществ и
структурных элементов, образующихся в зонах
роста новых клеток. В результате снижается
концентрация низкомолекулярных веществ и
пониженного осмотического и гидростатическогоформируется зона
давления в ситовидных трубках, находящихся в
непосредственном контакте с акцепторными клетками.
Таким образом, в транспортной системе флоэмы формируются две
зоны — с повышенным и пониженным гидростатическим давлением.
Между ними за счет перепада давления образуется массовый поток
жидкости с растворенными в ней сахарозой и другими органическими
веществами. Наличие гидростатического давления в ситовидных
трубках флоэмы подтверждено экспериментально и не вызывает
сомнения. Особенно наглядно это продемонстрировано в опытах, где
для изучения движения веществ в элементах флоэмы использовали
хоботок тли, представляющий собой специализированный колющесосущий ротовой аппарат, способный проникать в отдельную
ситовидную трубку (тля питается сахарами, переносимыми по
флоэме). После удаления тела тли из оставшегося в ситовидной трубке
хоботка, как из микрокапилляра, вследствие имеющегося там
гидростатического давления будет вытекать флоэмный сок.
Несмотря на целый ряд экспериментальных подтверждений,
гипотеза Э. Мюнха объясняет не все явления, связанные с
транспортом веществ. Она, например, совершенно не доказывает,
почему ситовидные трубки сохраняются живыми и сопровождаются
клетками-спутниками, для чего нужны ситовидные пластинки и
флоэмный белок, сильно замедляющие движение массового потока
жидкости по ситовидным трубкам. В какой-то степени эти явления
объясняет электроосмотическая гипотеза, современный вариант
которой был сформулирован в 1979 г. Д. Спэннером.
Основная концепция этой гипотезы заключается в том, что в
ситовидных трубках флоэмы, как было указано, за счет разницы
гидростатического давления возникает массовый поток растворенных
веществ от органа-донора в направлении к аттрагирую- щей зоне.
Вследствие щелочной реакции среды (pH 8,0—8,5) поверхность
внутренней мембраны боковых стенок ситовидной трубки и ситовидной
пластинки за счет мембранных белков имеет отрицательный заряд.
Такой же заряд образуется и на поверхности молекул флоэмного белка,
находящегося, вероятно, внутри пор ситовидной пластинки.
Вместе с массовым потоком по ситовидной трубке перемещаются
различные органические вещества и заряженные частицы- ионы,
особенно много во флоэмном соке ионов калия. Ионы калия и другие
катионы свободно проходят через поры ситовидной пластинки,
имеющей на поверхности отрицательный заряд, и перемещаются в
соседнюю ситовидную трубку, тогда как анионы вследствие
электростатического отталкивания не проходят через ситовидную
пластинку и накапливаются в данной ситовидной трубке, создавая в ней
отрицательный заряд (рис. ПО).
Как только этот заряд достигнет определенной величины, за счет
возникающей разности потенциалов он вызывает перенос протонов
через мембрану из цитоплазмы во внутреннее пространство ситовидной
трубки, компенсируя в ней отрицательный заряд. Однако в силу того,
что регуляторные механизмы, ограничивающие перенос протонов через
мембрану, срабатывают через некоторое время, во внутреннее
пространство ситовидной трубки поступает несколько больше
протонов, чем требуется для компенсации создавшегося отрицательного
заряда, в результате чего у поверхности ситовидной трубки на какое-то
время возникает положительный заряд, и тогда определенное
количество К+ и
Рис. ПО. Ускорение движения ионов и метаболитов через ситовидную пластинку
в соответствии с концепцией электроосмотической гипотезы:
А — движение положительно заряженных ионов (К+) и метаболитов (М) через поры ситовидной
пластинки и возникновение во внутреннем пространстве ситовидной трубки отрицательного заряда; Б —
поступление из цитоплазмы ситовидной трубки в ее внутреннее пространство протонов (Н J,
инициирующих движение ионов (К+) и метаболитов (М) через поры ситовидной пластинки; В —
обратный перенос протонов в цитоплазму ситовидной трубки с помощью Н'-помп
осп других катионов по законам электроосмоса перемещается к от-
рицательно заряженной поверхности ситовидной пластинки и далее
мимо фиксированных в ее порах отрицательно заряженных молекул Фбелка в соседнюю ситовидную трубку.
Каждый движущийся катион окружен связанными с ним молекулами
воды, которые двигаются вместе с заряженной частицей, образуя
массовый поток жидкости и всех растворенных в ней веществ, в том
числе молекул сахарозы, не имеющих электрического заряда. Таким
образом, в результате передвижения через ситовидные пластинки
определенного количества катионов за счет электроосмотических сил
происходит ускорение массового потока раствора, переносимого по
флоэме.
Избыточный положительный заряд в ситовидной трубке, возникающий в результате поступления протонов и вызывающий импульс
электроосмотического ускорения движения флоэмного сока, с помощью
регуляторных систем быстро погашается, и в ситовидной трубке снова
начинает накапливаться отрицательный заряд и все процессы могут
повторяться.
Погашение положительного заряда в ситовидной трубке осуществляется с помощью АТФ-зависимых Н-помп, выполняющих
обратный перенос протонов из внутреннего пространства ситовидной
трубки в цитоплазму. Энергия для этого процесса генерируется в форме
АТФ клетками-спутниками. Главный недостаток электроосмотической
гипотезы — отсутствие прямых экспериментальных подтверждений
основных ее положений. Кроме изложенных известны и другие
гипотезы, представляющие попытки более полного объяснения
механизмов флоэмного транспорта веществ, однако они пока не
подкреплены экспериментальными результатами.
Как указывалось, концентрация сахарозы в проводящих пучках
листовой пластинки во много раз выше, чем в фотосинтезирующих
клетках, и, следовательно, ее поступление в ситовидные трубки
происходит против градиента концентрации. Поэтому перенос сахарозы
и других метаболитов из ближайших клеток листовой паренхимы в
ситовидные трубки осуществляется с помощью механизмов активного
транспорта, функционирование которых сопряжено с затратой энергии,
чаще всего в виде АТФ.
Наиболее хорошо изученным механизмом трансмембранного
переноса метаболитов (сахарозы, аминокислот) против градиента
концентрации является их транспорт в симпорте (совместно) с ионами
Н+, которые активируют белки-переносчики, находящиеся в мембране.
При захвате протона молекула белка-переносчика одновременно
взаимодействует с сахарозой или другим метаболитом, при этом
происходит изменение конформации белковой молекулы, вызывающее
физическое перемещение связанной с ней молекулы метаболита через
мембраны. Движущий механизм такого переноса метаболитов через
мембрану — града- ент концентрации ионов водорода и связанный с ним
трансмембранный потенциал, который поддерживается с помощью
АТФ- зависимых Н+-помп.
По-видимому, в плазмалемме клеток-спутников функционируют
именно такие Н+-помпы, осуществляющие перенос протонов в
свободное межклеточное пространство (апопласт) и генерирующие
таким образом градиент ионов Н+ и трансмембранный потенциал (Др).
Работа Н+-помп обеспечивается энергией за счет гидролиза АТФ,
интенсивно образующейся в клетках-спутниках, которые имеют
значительно больше митохондрий, чем окружающие паренхимные
клетки. При достижении определенной величины трансмембранного
потенциала протоны начинают связываться с белками-переносчиками,
также находящимися в плазмалемме, инициируя тем самым перенос
метаболитов через мембрану из апопласта в цитоплазму клетокспутников, откуда по плазмодесмам метаболиты переносятся в
ситовидные трубки.
Образование АТФ в клетках-спутниках и работа Н -помп активируются ауксином, а возможно, и другими эндогенными регуляторами биохимических процессов. Функционирование Н+- помп
сопряжено также с поглощением клетками-спутниками ионов К+,
концентрация которых в ситовидных трубках, так же как и сахарозы,
очень высокая.
Повышение концентрации сахарозы и других органических веществ
в ситовидных трубках проводящих пучков листовой пластинки
вызывает приток в них воды из окружающих клеток и ксилемы. Это
создает значительное гидростатическое давление, вызывающее
движение сока по флоэме в направлении к аттраги- рующим зонам, где
гидростатическое давление ниже. Возможно, что трансмембранные
переносчики метаболитов, активируемые соответствующими Н+помпами, находятся не только в мембранах клеток-спутников, но и в
плазмалемме передаточных клеток, а также в паренхимных клетках
окончаний флоэмы.
В апопласте листовой паренхимы многих двудольных растений
содержится довольно много сахарозы (до 20 % синтезируемой в листе)
и других ассимилятов, являющихся источником их поступления в
сосуды флоэмы. Как установлено, фотосинтезирующие клетки очень
легко выделяют сахарозу, синтезирующуюся в их цитоплазме, в
межмолекулярное пространство клеточных стенок и относительно слабо
ее поглощают, поэтому по мере оттока этого дисахарида во флоэму его
концентрация в апопласте не снижается.
У значительной группы растений проводящие пучки в листовой
пластинке окружены клетками обкладки, стенки которых непроницаемы
для воды, поэтому транспорт органических веществ в зоне обкладки
должен проходить через симпласт, где перенос веществ возможен
благодаря движению цитоплазмы.
В акцепторной зоне клетки флоэмы и флоэмных окончаний обладают
повышенной способностью к выделению сахарозы и других веществ в
апопласт, а в плазмалемме акцепторных клеток функционируют Нпомпы и белковые переносчики метаболитов. В результате работы Н+помп происходит перенос протонов из цитоплазмы акцепторных клеток
в фазу клеточных стенок, инициируя обратный поток протонов и ионов
К+ по электроосмотическому градиенту, при этом в симпорте с Н+ионами осуществляется перенос в цитоплазму клеток сахарозы и других
метаболитов. Далее по симпласту поступившие ассимиляты могут
переноситься в другие клетки.
В результате функционирования Н+-помп и постоянного связывания
метаболитов в ходе процессов новообразования клеток и синтеза
высокомолекулярных запасных веществ создается поток направленного
транспорта веществ, который может прекратиться только при остановке
процессов роста, инициируемых фитогормонами.
Между процессами, происходящими в акцепторной зоне и
фотосинтезирующих клетках растений, существует довольно тесная
связь. При удалении с растения части листьев в оставшихся, как
правило, наблюдается усиление фотосинтетической активности,
компенсирующее вызванный потерей листьев дефицит ассимилятов.
При последующих актах удаления листьев достигается определенный
критический уровень, при котором дальнейшее сокращение
ассимиляционной поверхности уже не будет компенсироваться
усилением фотосинтеза оставшихся листьев, в результате чего
уменьшается поток ассимилятов, переносимых по флоэме к акцепторной
зоне, что, в свою очередь, вызывает замедление ростовых процессов.
Благодаря функционированию транспортных систем обеспечивается
постоянный отток из фотосинтезирующих клеток образующихся там
метаболитов, что вызывает смещение в них биохимических процессов в
направлении синтеза этих веществ. Если учитывать, что оттоку в другие
органы подлежат, как правило, конечные продукты многоступенчатых и
взаимосвязанных превращений веществ, то в результате понижения их
концентрации
происходит
направленный
сдвиг
всей
последовательности биохимических реакций, приводящих к синтезу
этих конечных метаболитов. В свою очередь, изменение концентрации
метаболитов в ходе биохимических превращений приводит в действие
регуляторные системы клеток, вызывающие изменение активности
ферментов.
С другой стороны, при замедлении ростовых процессов снижается
агграгирующая способность клеток акцепторной зоны, вследствие чего
повышается концентрация органических веществ в ситовидных трубках
флоэмы, вызывающая сильное гидростатическое давление, которое
ингибирует систему трансмембранного переноса сахаров в сосуды
флоэмы.
По-видимому,
под
воздействием
повышенного
внутриклеточного давления плазмалемма в клетках-спутниках и клетках
флоэмных окончаний листа деформируется, вызывая изменение
структуры белка-переносчика, что приводит к ослаблению или полному
ингибированию его транспортной функции.
Механизмы регуляции, оказывающие влияние на передвижение
органических веществ в растении, заложены также в самой
транспортной системе. Например, известно, что работа Н-помп,
приводящих в действие механизмы трансмембранного переноса
метаболитов, активируется ауксином и ингибируется абсцизовой
кислотой. Ключевую роль в загрузке ситовидных трубок флоэмы
транспортируемыми веществами играют клетки- спутники, в которых за
счет интенсивных дыхательных реакций происходит образование АТФ,
необходимой для функционирования Н+-помп. Об интенсивных
процессах дыхания, происходящих в этих клетках, свидетельствует
наличие у них большого количества митохондрий, а также
многочисленных
свободных
и
связанных
с
мембранами
эндоплазматического ретикулума рибосом. Уровень функциональной
активности клеток-спутников в значительной степени зависит от
действия внешних факторов — температуры, обеспеченности растений
влагой и питательными элементами, концентрации диоксида углерода и
кислорода.
Контрольные вопросы
1. Что такое обмен веществ и как он происходит в растительном организме? 2. Каковы
основные особенности анаболических и катаболических процессов и какая между ними
связь? 3. Какие важнейшие метаболиты и энергетические продукты образуются в процессе
катаболизма? 4. Какую роль играют АТФ и другие макроэргическис соединения, а также
восстановленные нуклеотиды в синтезе органических веществ? 5. В чем заключаются
основные принципы осуществления биосинтетических реакций? 6. Каковы функции
транспортной системы растения, выполняющей перенос органических соединений? 7. Из
каких структурных элементов состоит флоэма и как они взаимодействуют между собой? 8.
Каковы состав флоэмного сока и скорость его передвижения по сосудам флоэмы? 9. Чем
определяется направление транспорта органических веществ по флоэме? 10. Какое влияние
оказывают фитогормоны на функционирование транспортной системы растения? 11. В чем
заключается основная концепция гипотезы Э. Мюнха, объясняющей механизм флоэмного
транспорта органических веществ в растениях? 12. Как объясняет механизмы транспорта
веществ электроосмотическая гипотеза? 13. Как осуществляется перенос метаболитов от
фотосинтезирующих клеток к сосудам флоэмы и от ситовидных трубок флоэмы к клеткам
акцепторной зоны? 14. Какие факторы влияют на интенсивность передвижения
органических веществ в растениях?
Глава 7
РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ
•
7.1.
ПОНЯТИЕ ОБ ОНТОГЕНЕЗЕ, РОСТЕ И РАЗВИТИИ
РАСТЕНИЙ
Онтогенез (жизненный цикл), или индивидуальное развитие, —
комплекс
последовательных
и
необратимых
изменений
жизнедеятельности и структуры растений от возникновения из
оплодотворенной яйцеклетки, зачаточной или вегетативной почки до
естественной
смерти.
Онтогенез
является
последовательной
реализацией наследственной генетической программы развития
организма в конкретных условиях внешней среды.
По продолжительности онтогенеза сельскохозяйственные растения
делят на однолетние, двулетние и многолетние. Однолетние растения
подразделяют на эфемеры — растения, онтогенез которых совершается
в 3—6 недель; яровые — растения (зерновые, зернобобовые),
вегетационный период которых начинается весной или летом и
завершается в это же лето или осенью; озимые — растения, вегетация
которых начинается осенью и завершается летом или осенью
следующего года. Двулетние растения в первый год жизни образуют
вегетативные и зачатки генеративных органов, во второй год проходят
цветение и плодоношение. Многолетние растения (кормовые травы,
плодовые и ягодные культуры) имеют продолжительность онтогенеза от
3— 10 до нескольких десятков лет.
Однолетние и двулетние сельскохозяйственные растения относятся к
группе монокарпических, однократно плодоносящих растений и после
плодоношения погибают. Много монокарпических растений среди
двулетников (морковь, свекла, капуста), которые зацветают после
перезимовки. У поликарпических растений плодоношение повторяется
ряд лет. После плодоношения отмирает побег или часть побега, реже
одни плодоножки. К поликарпическим относятся многолетние травы,
ягодные кустарники, плодовые деревья. Деление растений на
монокарпические и поликарпические условно. В тропических странах
хлопчатник, клещевина, томат и другие развиваются как многолетние
поликарпические формы, а в умеренных широтах — как однолетние.
Пшеница и рожь — однолетние растения, но среди них имеются и
многолетние формы.
Периодизация онтогенеза. В зависимости от используемых для
периодизации жизненных явлений и конкретных целей онтогенез
высших растений классифицируют по-разному и выделяют
сек
Рис. 111. Полный цикл развития цветкового растения (12 этапов органогенеза) иа примере
пшеницы (по В. В. Мурашову, 1982)
вегетативный и репродуктивный периоды, фенологические фазы,
этапы органогенеза, возрастные периоды.
Вегетативный и репродуктивный периоды. В течение первого
периода интенсивно накапливается вегетативная масса, усиленно
растет корневая система, происходят кущение и ветвление,
закладываются органы цветка. Репродуктивный период включает
цветение и плодоношение.
Фенологические фазы. Отличаются четко выраженными
морфологическими изменениями растений. Применительно к
конкретным культурам фенофазы подробно описаны в растениеводстве, овощеводстве, плодоводстве. Так, у растений пшеницы
и ячменя различают следующие фазы: прорастание семян, всходы,
появление третьего листа, кущение, выход в трубку, колошение,
цветение, фазы молочной, восковой и полной спелости.
Этапы органогенеза растений. На протяжении жизни растение
формирует новые органы. Ф. М. Куперман (1955) выделила 12 этапов
органогенеза, отражающих морфофизиологические процессы в
онтогенезе растений (рис. 111). Морфофизиологический анализ
органогенеза растений позволяет оценивать действие погодных
условий, агротехники на растения с целью повышения их
продуктивности. Установлено, что на I—II этапах происходит
дифференциация
вегетативных
органов,
на
III—IV
—
дифференциация зачаточного соцветия, на V— VIII — формирование
цветков, на IX — оплодотворение и образование зиготы, на X—XII —
рост и формирование семян. При хорошем обеспечении хлебных
злаков на II и III этапах водой и азотом формируется крупный колос с
большим количеством колосков. Об окончании яровизации у озимых
хлебов можно судить по вытягиванию конуса нарастания и началу
дифференциации колосковых бугорков (III этап). Фотопериодическая
индукция заканчивается с появлением признаков дифференциации
цветков (V этап).
Основные возрастные периоды. В онтогенезе растений выделяют
пять этапов (рис. 112): эмбриональный — образование зиготы;
ювенильный — прорастание зародыша и образование вегетативных
органов; зрелость — появление зачатков цветков, формирование
репродуктивных органов; размножение (плодоношение) —
однократное или многократное образование плодов; старение —
преобладание процессов распада и малоактивное™ структур.
Изучение закономерностей онтогенеза сельскохозяйственных
растений — одна из основных задач частной физиологии растений и
растениеводства.
Определение роста и развития. Для характеристики онтогенеза
растений используют термины «рост» и «развитие». Рост и развитие
интегрируют все физиологические функции и взаимодействие
растительного организма с внешней средой. Растение аккумулирует
солнечную энергию, поглощает воду и минеральные вещества,
образует новые клетки и органы, в нем происходят качественные
изменения на протяжении всего онтогенеза.
Рост. По Д. А. Сабинину (1963), рост — новообразование
цитоплазмы и клеточных структур, приводящее к увеличению числа
и размеров клеток, тканей, органов и всего растения в целом. Рост
растений нельзя рассматривать как чисто количественный процесс.
Так, появляющиеся побеги, листья качественно отличаются друг от
друга. Растения в отличие от животных организмов растут в течение
всей жизни, но обычно с некоторыми перерывами (период покоя).
Развитие. По Д. А. Сабинину, развитие — качественные /
изменения живых структур, обусловленные прохождением организмом
жизненного цикла. Более полное определение: развитие —
качественные изменения структуры и функций растения в целом и его
отдельных частей — органов, тканей и клеток, возникающие в процессе
онтогенеза. Процессы роста и развития тесно взаимосвязаны. Однако
быстрый рост может сопровождаться медленным развитием и наоборот.
Озимые растения при
Рис. 112. Основные этапы онтогенеза однолетнего семенного растения (М. X. Чайлахяв,
1989):
Л —кукуруза. Б— картофель; 7 — эмбриональная жизнь; 2—молодость; 3 — зрелость; 4— размножение;
5—старение
весеннем посеве быстро растут, но не переходят к репродукции.
Осенью при пониженных температурах озимые растения растут
медленно, но в них проходят процессы развития. Показателем темпов
развития служит переход растений к репродукции. Показатели темпов
роста — скорость нарастания массы, объема, размеров растения.
7.2.
КЛЕТОЧНЫЕ ОСНОВЫ РОСТА И РАЗВИТИЯ
Основой роста тканей, органов и всего растения являются
образование и рост клеток меристематической ткани. Различают
апикальную, латеральную и интеркалярную (вставочную) меристемы.
Апикальная меристема — верхушечная образовательная ткань
стеблей и корней. Латеральная меристема (камбий, фелло- ген)
расположена параллельно боковой поверхности органа. Интеркалярная меристема расположена в междоузлиях стебля и в
основании листьев растений злаков.
Клетка проходит ряд последовательных этапов (фаз) своего роста и
развития: деления (эмбриональная фаза), роста растяжением (фаза
растяжения), дифференцировки (фаза дифференциации), старения и
смерти (рис. 113).
Для эмбриональной фазы (деления) характерны деление клеток,
увеличение массы их протоплазмы и ядра. Клетки мелкие, с очень
тонкими стенками, вакуолей нет или зачаточные. Дочерние клетки,
достигая
размеров
материнской,
могут
вновь
делиться.
Эмбриональные клетки точек роста синтезируют ауксин. Для
делящихся клеток характерно относительно низкое содержание ИУК и
АБК и высокое — цитокининов. Предполагают, что имеется
специфический белок деления клетки, который индуцирует митоз.
Биосинтез его заканчивается за несколько десятков минут до начала
деления клетки. Для деления клеток необходимы витамины: тиамин,
пантотеновая кислота, аминобензойная кислота, пиридоксин,
фолиевая кислота, мезоинозит, аминокислоты (цис-
Рис. 113. Этапы роста и развития клетки:
/ — деление клетки; 2—растяжение клетки; 3—дифференциация клетки
теин, триптофан), а также пурины (гипоксантин, ксантин, мочевая
кислота), содержащиеся в значительных количествах в эмбриональных
тканях. Для зон клеточного деления характерен интенсивный обмен
веществ. После 3—5 делений клетки периферийной зоны переходят в
фазу растяжения. Инициальные же клетки меристемы продолжают
делиться на протяжении всего периода роста растительного организма,
оставаясь эмбриональными.
Для фазы растяжения характерно быстрое увеличение объема
клеток, который возрастает в 50—100 раз. Рост клетки происходит
благодаря увеличению вакуоли, растягивающей клетку. Вода поступает
в вакуоль осмотически. Концентрация клеточного сока повышается за
счет сахаров, аминокислот, ионов. Резко возрастает интенсивность
дыхания в расчете на клетку. Условием роста клеточной оболочки
является ее разрыхление, которое связано с действием ауксина. Ауксин
индуцирует активный транспорт ионов Н+ из цитоплазмы в клеточную
стенку. В результате снижается pH, что способствует разрыву связей
кальция с углеводными компонентами клеточной оболочки,
увеличивает ее пластичность. Рост клеточной оболочки обеспечивается
новообразованием составляющих ее полимеров.
\
В конце фазы растяжения происходит лигнификация клеточных
стенок, повышается содержание фенольных ингибиторов и абсцизовой
кислоты, снижается содержание ауксина. Рост растяжением
обеспечивает увеличение площади листовых пластинок, длины стебля и
корневой системы растений. Следует отметить, что клетка в фазе
растяжения характеризуется не только максимальной интенсивностью
аэробного дыхания и поглотительной активности, но и минимальной
устойчивостью к неблагоприятным факторам среды. Поэтому в
неблагоприятных условиях прежде всего повреждаются клетки,
находящиеся в этой фазе.
В фазе дифференциации в структуре и функциях клетки появляются
характерные особенности, определяющие ее принадлежность к
конкретной специализированной ткани. Специализация клеток
происходит уже в меристематической зоне под влиянием
местоположения: клеточного окружения, полярности и др. Так, из
меристематической клетки органогенной зоны образуются клетки,
формирующие лист, а в последующем — метамеры соцветия; клетки же
субапикальной зоны формируют стебель и т. д. Специализация клеток
является следствием дифференциальной активности их генов. Важную
роль в этом процессе играют фитогормоны, особенно ауксин. На
активность генов влияют и внешние факторы (фитогормоны, свет и др.).
Под воздействием ИУК происходит укоренение черенков растений, в
условиях культуры тканей дифференцированная клетка может вновь
стать эмбриональной. Это явление наблюдается и у раневого каллуса. В
фазе дифференциации большие изменения наблюдаются в клеточной
стенке: откладываются новые слои целлюлозы, включаются лигнин,
суберин и др. Появляются клетки механических и проводящих тканей.
После дифференцировки в фазе зрелости клетка выполняет функции,
заложенные в ее организации.
Старение и отмирание завершают онтогенез клеток. В результате
преобладания гидролитических процессов над синтетическими в
стареющих клетках снижается содержание РНК, белков, повышаются
активность пероксидазы и кислых протеаз, проницаемость мембран,
разрушаются хлорофилл и хлоропласты и др. Как отмечает В. В.
Полевой (1989), имеются две гипотезы, объясняющие механизмы
старения: накопление повреждений в генетическом аппарате, мембранах
и в других структурах, увеличение концентрации ядовитых веществ в
клетке; включение генетической программы старения как последнего
этапа онтогенеза. Процессы старения клетки того или иного органа
растения резко ускоряет уменьшение поступления ауксина, цитокинина,
гиббереллина, увеличение содержания этилена и абсцизовой кислоты. \
7.3. ФИТОГОРМОНЫ КАК ФАКТОРЫ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ
РОСТ И РАЗВИТИЕ ЦЕЛОСТНОГО РАСТЕНИЯ
Фитогормоны — соединения, с помощью которых осуществляется
взаимодействие клеток, тканей и органов и которые в малых
количествах необходимы для запуска и регуляции физиологических и
морфогенетических программ растений (В. В. Полевой, 1989).
Выделяют пять групп фитогормонов (рис. 114): ауксины, гиббереллины,
цитокинины, абсцизины, этилен.
Фитогормоны имеют следующие общие черты: это сравнительно
низкомолекулярные органические соединения; вырабатываются
растением; действие проявляют в очень низких концентрациях (10~13—
10-5 моль/л); как правило, образуются в одной части растения, а
действуют в другой, куда транспортируются; образуются в отдельных
частях растения, но распространяются по всему организму, составляя
своеобразное
гормональное
поле;
регулируют
крупные
морфогенетические и физиологические программы и подпрограммы;
регулируют рост растений и эндогенные вещества негормональной
природы: фузикокцины, полиамины, бататастины, фенолы и
терпеноиды, производные мочевины, витамины и др.
Ауксины — соединения преимущественно индольной природы:
индолилуксусная кислота и ее производные (индолил-3-ацеталь- дегид,
индолил-3-ацетонитрил, индолил-3-молочная кислота, метиловый и
этиловый эфиры ИУК, триптамин и др.). Ауксин образуется из
триптофана, который синтезируется из шикимовой кислоты,
возникающей в процессе дыхания из ФЭП (из глико-
Природные регуляторы роста
Фитогормоны-стимуляторы
Природные ингибиторы
ёiхк
* НС-СН
СН2СООН
N
Н
HN-CH2-C СН
О
р- индолил3-уксусная
£
кислота
из
X
(ИУК)
I
сн,=сн
N
Кинетин
СН3 CHj
\/ СН
со
н
сн3 соон
ОН
СН2
Гиббереллин А 3
(гибберелловая кислота)
£
/
HC^^C-NlV
о
но
§
е
о.® О
X
О'
СН3
сн3 соон
Кумарин 2
ОН
| СООН
Салициловая
кислота
Абсцизовая кислота
Рис. 114. Природные стимуляторы и ингибиторы роста растений
лиза) и Эр-4-Ф (из пентозофосфатного цикла) по схеме: ФЭП -» Эр-4Ф —> шикимовая кислота -» триптофан —> ИУК (рис. 115).
Превращение триптофана в ИУК усиливается под действием
гиббереллина и уменьшается под влиянием хлорхо- линхлорида,
этилена и радиоактивного облучения.
Гиббереллины являются тетрациклическими карбоновыми кислотами — гибберелловая кислота (ГА) и другие гиббереллины.
Известно более 70 гиббереллинов, различающихся деталями
строения. Наиболее распространенным и изученным является
гиббереллин Аз или гибберелловая кислота (ГА3). Гиббереллины
образуются из мевалоновой кислоты, синтезированной из ацетил КоА ацетил -КоА —> мевалоновая кислота гиббереллин (рис. 116).
Цитокинины — производные 6-аминопурина, синтезируются
посредством конденсации аденозин-5-монофосфата и изопентенилпирофосфата. Предшественником цитокининов являются мевалонат и пурин. Основным природным цитокинином служит зеатин,
выделенный из семян кукурузы молочной спелости.
Абсцизовая кислота (АБК) и ее производные — соединения
терпеноидной природы. АБК синтезируется двумя способами: из
мевалоновой кислоты через изопентилпирофосфат и геранилпи-
Индолилпировиноградная кислота
Индолилацеталвдегид
Р-Индолилуксусная кислота
Рис. 115. Биосинтез р-индолилуксусной кислоты
С -гиббереллины (А3)
С2о-гиббереллины (А!2)
Каурен
Рис. 116. Биосинтез гиббереллинов рофосфат; в результате деградации
каротиноидов, в частности виолоксантина, через ксантоксин. В
первом случае АБК образуется из тех же предшественников (ацетат
и мевалонат), что и гиббереллины. Биосинтез АБК ингибируют
цитокинины и ингибиторы биосинтеза гиббереллинов.
Этилен — гормональный фактор, газ Н2С=СН2- Этилен синтезируется из метионина. Ближайший предшественник этилена — 1аминоциклопропан-1-карбоновая кислота (АЦК).
Фенольные ингибиторы — вещества фенольной природы: кофейная, хлорогеновая, коричная кислоты и др. Эти вещества не
являются фитогормонами. Они не передвигаются по сосудам и
действуют в концентрациях, в 2—3 раза больших, чем гормоны.
Общим для всех предшественников фенольных соединений является
наличие шикимовой кислоты. Дальнейшие ее превращения приводят
к образованию фенилаланина и тирозина, а затем коричной и
паракумариновой кислот, дающих начало всему разнообразию
фенольных веществ (около 2000).
Таким образом, следует подчеркнуть: все регуляторные соединения синтезируются из аминокислот или органических кислот; их
биосинтез происходит из продуктов фотосинтеза и дыхания; общие
предшественники (хорезмовая, мевалоновая кислоты), от которых
возникают биосинтетические пути, направленные на образование как
стимуляторов, так и ингибиторов, являются ключевыми.
7.3.1.
ЛОКАЛИЗАЦИЯ БИОСИНТЕЗА ФИТОГОРМОНОВ В РАСТЕНИИ.
ТРАНСПОРТ ФИТОГОРМОНОВ
Каждая клетка способна синтезировать все группы гормонов.
Однако в системе целого растения на биосинтетические функции
клеток накладывается ряд запретов. Поэтому ауксины образуются
преимущественно в верхушечных меристемах стебля, наиболее
интенсивно в верхушке главного побега, и корня, а также в молодых
листьях (рис. 117). Содержание ИУК колеблется от 1 до 100 мкг/кг
сырой массы. Больше всего ИУК в растущих почках и листьях, в
пыльце и формирующихся семенах. В почвенных условиях некоторые
микоризные грибы выделяют ауксин, который тормозит рост корней
растений. Образование клубеньков на корнях бобовых стимулирует
ауксин, синтезируемый клубеньковыми бактериями.
Гиббереллины синтезируются особенно интенсивно в растущих
апикальных стеблевых почках растений, в хлоропластах листьев, в
формирующихся семенах, в зародыше прорастающих семян.
Содержание гиббереллинов колеблется от 0,01 до 1,4 мг/кг сырой
массы.
~
Основное место синтеза цитокининов — в апикальной меристеме
корней. Образуются они также в молодых листьях и почках,
в развивающихся плодах и семенах. Цитокинины обнаружены в галловых опухолях
ж
на листьях растений, возникших под
действием паразитических грибов и
насекомых. Продуцирование цитокининов
клубеньковыми бактериями, по-ви- димому,
способствует формированию клубеньков на
корнях бобовых растений.
Абсцизовая кислота может синтезироваться во всех органах растений и особенно
в старых. Содержание АБК 10 — Ю-0 мг/г
сырой массы. АБК богаты старые листья,
зрелые плоды, покоящиеся почки и семена.
Этилен образуется в любом органе
растения. Наибольшая скорость биосинтеза
этилена
в
стареющих
листьях
и Рис. 117. Места преимуобразования и
созревающих плодах. Содержание этилена щественного
направления
транспорта
0,01—25 мкл/кг сырой массы. Выделение фитогормонов в растении
этилена растениями тормозит недостаток
кислорода.
Фенольные соединения присутствуют во всех тканях растений. Их
физиологическое действие проявляется при концентрациях, на 2—3
порядка превышающих концентрацию фитогормонов.
Для обнаружения фитогормонов в растительном материале
используют специальные биотесты, методы газовой хроматографии,
масс-спектрометрии,
иммунохимии.
Накопление
активных
фитогормонов в отдельных частях растений может быть не только
результатом их биосинтеза, но и транспорта, перехода из связанного
состояния в свободную форму.
Транспорт (передвижение) фитогормонов обеспечивает в конкретных клетках, тканях и органах растения концентрацию и соотношение гормонов, необходимых для их физиологического действия. Транспортируются гормоны в 10 раз медленнее сахарозы.
Транспорт ауксина в растении проходит строго полярно, в
основном вниз по стеблю от верхушки побега к кончику корня
(базипетально), к рецепторным клеткам зоны растяжения корня. Сюда
вливаются и потоки ауксина из листьев. Полярный транспорт ауксина,
возможно, является одной из причин полярного характера роста и
морфогенеза растений (В. В. Полевой, 1988). Транспорт ауксина —
активный процесс; он проходит по клеткам флоэмы, а также по
симпласту и апопласту других тканей растения. По В. В. Полевому,
полярный транспорт ауксина заключается в следующем: в
апикальный конец клетки ИУК проникает пассивно (вместе с ионами
Н+), а в базальном конце активно секретируется через клеточную
мембрану. ИУК является гормоном, транспорт которого происходит
наиболее медленно (5— 15 мм/ч) и может контролироваться.
Экзогенный ауксин, нанесенный на корни растений, способен
передвигаться по ксилеме вверх в акропетальном направлении.
Гиббереллины передвигаются в растениях неполярно, пассивно
вверх-вниз и латерально. Однако гиббереллины преимущественно
перемещаются акропетально по флоэме и ксилеме, куда поступают по
клеткам радиальных лучей. Скорость транспорта гиббереллинов по
сосудистой системе около 5 см/ч.
Цитокинины транспортируются с водным током по сосудам
ксилемы из апексов корней в надземные части растения со скоростью
до 10—50 см/ч.
Абсцизовая кислота в растении перемещается в составе ксилемного и флоэмного соков и по паренхиме, главным образом в
направлении очагов высокой меристематической активности и
замыкающих клеток устьиц. АБК перемещается по растению со
скоростью 2—4 см/ч с затратами метаболической энергии. Очевидно,
ближний транспорт этилена по симпласту и апопласту не требует
специализированных механизмов. Предполагают, что транспортной
формой
этилена
является
его
предшественник
—
аминоциклопропанкарбоновая
кислота,
перемещающаяся
по
растению с транспирационным током.
Фенольные ингибиторы в растениях обычно не транспортируются.
Таким образом, передвижение ауксинов идет в основном базипетально, цитокининов — акропетально, другие гормоны передвигаются в обоих направлениях.
7.3.2.
ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ ФИТОГОРМОНОВ НА РОСТ ТКАНЕЙ
И ОРГАНОВ. ФОРМИРОВАНИЕ СЕМЯН И ПЛОДОВ
Фитогормоны полифункциональны, регулируют многие физиологические процессы, физиологическое действие их на растение
зависит от следующих факторов:
специфики фитогормона — спектра физиологических действий на
растительный организм данного фитогормона;
специфики объекта — видовых, органных, тканевых, возрастных
и других особенностей растительного объекта, определяющих его
восприимчивость к фитогормону;
концентрации фитогормона — определенных границ концентраций, в которых фитогормон активирует или ингибирует данный
физиологический процесс или функцию;
соотношения данного фитогормона с другими — от функционирования многокомпонентной гормональной системы, составляющей
гормональное поле растения;
обеспеченности растительного объекта необходимыми факторами
минерального и углеродного питания;
эндогенного содержания фитогормона — ответной реакции растигельного объекта на экзогенный гормон, зависящей от его
концентрации внутри растения;
напряженности факторов внешней среды (свет, температура,
вода и др.), создающих необходимые условия для действия фитогормона.
х
Физиологические функции фитогормонов. Действуя на растение экзогенными гормонами, наблюдают возникшие эффекты и судят
о роли фитогормонов.
Физиологические функции ауксина. Стимулирует все три фазы
роста клеток. С этим действием связаны образование корней,
камбиальная активность и образование каллуса, разрастание завязи
партенокарпических плодов. Ауксин регулирует формирование
проводящих пучков, обусловливает явления фото- и геотропизма у
растений, связанные с несимметричностью его распределения.
Смещение ауксина на теневую или нижнюю сторону стебля усиливает
ее рост, что приводит к изгибанию. В геотропизме корня кроме
ауксина большую роль играют также ингибиторы, синтезируемые в
корневом чехлике растущего корня. Ауксин регулирует двигательную
реакцию листьев, цветков и усиков растений.
Определяет апикальное доминирование — растущая верхушка
побега подавляет пробуждение и рост пазушных почек. Регуляция
этого процесса определяется взаимодействием ауксина с цитокининами и гиббереллинами. Гиббереллин усиливает апикальное
доминирование: При обработке же цитокинином пазушная почка
пробуждается и трогается в рост.
Стимулирует ризогенез и утолщение боковых корней. Образование боковых корней является следствием активизации ауксином
деления клеток перицикла. Вторичное же утолщение корня регулируется ауксином совместно с цитокинином. Ауксины регулируют
транспорт и распределение различных веществ в растении, т. е.
влияют на полярность тканей и органов растений, в том числе и на
полярность корнеобразования (Р. X. Турецкая, 1961). Ауксин
стимулирует образование корней на листовых и стеблевых черенках.
Регулирует цветение, рост и созревание плодов. Ауксин тормозит
переход к цветению короткодневных растений и стимулирует
длиннодневных. У огурца при обработке ауксином возрастает число
женских цветков, увеличивается урожай плодов и семян. Рост
цветоноса розеточных растений зависит от транспорта ауксина из
цветка или соцветия. Ауксин пыльцы необходим для роста пыльцевой
трубки. Семена являются источником ауксина в развивающихся
плодах. При удалении их плод не растет, однако после обработки
ауксином его рост возобновляется. Изменяя содержание ауксина в
плодах, можно управлять их созреванием. Синтетические аналоги
ауксина — индолилмасляная кислота (ИМК), нафтилуксусная кислота
(НУК), 2-нафтоксиуксусная кислота (НОУК), 2,4-Д, 4Х — обладают
высокой физиологической активностью.
Регулирует опадение листьев, завязей и плодов. С этой же целью
ауксины применяют при пересадке древесных и овощных растений,
при старении листьев, плохом опылении цветков, образовании
излишнего числа завязей и плодов. Образование отделительного слоя
является результатом уменьшения транспорта ауксина из этих
органов в черешок или плодоножку. Этилен также ускоряет старение
листьев, задерживает поступление ауксина из листа в черешок и
ускоряет его связывание, тем самым подавляет действие ауксина на
отделительный слой. Обработка растений регуляторами роста
позволяет уменьшить осыпание завязей у томата, предуборочное
опадение плодов и ягод, ускорить опадение листьев хлопчатника для
комбайновой уборки.
Физиологические функции гиббереллинов. Регуляция роста
растений. Гиббереллины стимулируют деление и растяжение клеток
апикальных и интеркалярных меристем. Это хорошо прослеживается
у карликовых и у длиннодневных растений, находящихся в фазе
розетки. Под действием гиббереллина удлиняются стебель, листья,
особенно у злаков, цветки, соцветия становятся крупнее; у винограда
образуются более крупные гроздья. Обработка гиббереллинами не
влияет на рост корня или угнетает его при использовании
повышенных концентраций.
Регуляция цветения. Гиббереллины играют важную роль в процессах перехода растений к цветению. Необходимый для зацветания
длиннодневных растений уровень гиббереллина формируется на
длинном дне или в условиях пониженных температур яровизации.
Поэтому обработка растений гиббереллином ускоряет цветение
длиннодневных растений. На зацветание же короткодневных
растений гиббереллины не действуют. Вытягивание стебля и цветение
розеточных длиннодневных растений могут быть достигнуты
обработкой гиббереллином даже в условиях короткого дня. С
помощью гиббереллина двулетники переходят к цветению без
яровизации. Гиббереллин смещает пол растений в мужскую сторону
(тыквенные, конопля).
Регуляция покоя. Семена и клубни многих растений после уборки
находятся в состоянии покоя и не прорастают даже в благоприятных
условиях увлажнения, аэрации и температуры. Обработка
гиббереллином вызывает их прорастание. Этот прием используют для
стимуляции прорастания свежеубранных клубней картофеля при
повторной его культуре.
Регуляция плодоношения. Развивающиеся после оплодотворения
семена продуцируют гиббереллины, необходимые для роста и
формирования сочноплодных плодов. Недостаток активных
гиббереллинов вызывает приостановку роста плодов. Обработка
гиббереллином способствует формированию крупных бессемянных
(партенокарпических) плодов у томата, винограда, перца,
цитрусовых, семечковых и косточковых культур. У некоторых видов
растений ауксин и гиббереллины примерно одинаково индуцируют
партенокарпию. Обработка гиббереллином задерживает старение
плодов цитрусовых, восстанавливает их зеленую окраску.
Влияние на метаболам растений. Обработка растений гиббереллином повышает интенсивность фотосинтеза, несмотря на
уменьшение содержания хлорофилла, усиливает дыхание, при
нормальном водоснабжении интенсивность транспирации. Поглощение растениями азота, фосфора и калия также обычно
возрастает.
Физиологические функции цитокининов. Влияние на рост клеток.
Цитокинины — первичный фактор индукции клеточных делений,
активизируют рост клеток двудольных (но не однодольных) растений
в длину, способствуют их дифференцировке. Обработка же
цитокинином совместно с ИУК возвращает дифференцированные
клетки к делению. Цитокинины стимулируют образование стеблевых
почек у каллусов. Эти явления — результат усиления в клетках
синтетических процессов, синтеза ДНК, белка, нитратредуктазы,
роста и развития хлоропластов и других органелл.
Действие на органогенез. Цитокинины стимулируют формирование почек и рост побегов, но угнетают рост корней, вызывают
переход к цветению некоторых растений в условиях неблагоприятного фотопериодического или температурного режима.
Снятие апикального доминирования. Цитокинины освобождают
боковые почки от апикального доминирования, вызываемого
ауксином, и стимулируют их рост. Это используют для получения
ветвящихся растений в культуре, в селекции, провоцируя обработкой
цитокинином ветвление, отбирают неветвящиеся формы растений.
Прерывание покоя. Обработка цитокинином выводит из состояния
глубокого покоя клубни и семена ряда растений, спящие почки
древесных растений, повышает энергию и всхожесть семян гороха,
кукурузы, люпина, ячменя, снизивших их в результате нарушения
режимов или длительного хранения.
Повышение аттрагирующей способности и задержка старения
листьев. При помощи цитокининов корни растения активизируют
рост надземных органов. Цитокинины, влияя на структурное и
функциональное состояние клеточных мембран, повышают аттрагирующую способность тканей и органов, в том числе растущих
плодов, семян, клубней. Они задерживают старение листьев.
Обработка цитокинином отделенных от растения стареющих листьев
вызывает как бы их омолаживание, вторичное позеленение (К. Мотес,
А.-Л. Курсанов, О. Н. Кулаева и др., 1964). Участок изолированного
листа,
обработанный
цитокинином,
притягивает
меченые
аминокислоты и другие метаболиты, в нем вое- станавливаются
структура хлоропластов, синтез хлорофилла, синтез РНК и белка,
повышается интенсивность фотосинтеза. Недостаток цитокининов в
листьях растения наблюдается в практике при нарушении
водоснабжения, затоплении, недостатке элементов минерального
питания и др. В этих случаях опрыскивание растений раствором
цитокинина также задерживает пожелтение листьев (сахарная свекла,
махорка, подсолнечник). Различные паразиты растений синтезируют
цитокинины, обеспечивая приток к месту своего развития
питательных веществ из других частей растения.
Физиологические функции абсцизовой кислоты (АБК).
Абсцизовая кислота является ингибитором широкого спектра
действия, делает возможным реализацию активности других
фитогормонов.
Влияние на процессы покоя. Переход в покой семян, клубней,
луковиц и почек связан с увеличением в них содержания АБК (синтез
АБК ускоряется на укороченном дне), наоборот, выход из покоя и
возобновление роста связаны с уменьшением содержания ингибитора.
Содержание АБК повышается в зимующих органах многолетних
бобовых и злаковых трав, озимых зерновых.
Регуляция процессов старения и отторжения органов. Старение
растений и созревание плодов томата, земляники, груши, сливы,
винограда, хлопчатника и других культур связано со значительным
повышением содержания АБК. Она ускоряет распад нуклеиновых
кислот, белков, хлорофилла. Повышение содержания в листьях
абсцизовой кислоты вызывает общее старение листьев и плодов,
предшествующее их опадению. При этом АБК взаимодействует с
этиленом, биосинтез которого резко увеличивается.
Координация ростовых процессов. АБК выступает координатором
ростовых процессов, корреляционным ингибитором, ответственным
за торможение роста и метаболических процессов определенных
органов растения, которое необходимо для нормального
функционирования других органов. АБК может выступать
антагонистом, подавляет активность ауксинов, гиббереллинов и
цитокининов. В случае апикального доминирования абсцизовая
кислота действует противоположно ауксину. В определенных условиях АБК действует как стимулятор: так, она способствует
образованию партенокарпических плодов у розы, удлинению гипокотиля огурца, образованию корней у черенков фасоли. АБК
определяет подавление роста корней под влиянием света и их
геотропическую реакцию. Это связано с наличием АБК в корневом
чехлике, из которого ингибитор передвигается в базипетальном
направлении и накапливается в активно растущей части корня,
тормозит рост клеток растяжением.
Регуляция водного режима. АБК участвует в регуляции устьичных
движений. При обезвоживании листьев содержание АБК быстро
повышается. Это сопровождается закрыванием устьиц, снижающим
транспирацию. При подсыхании листьев некоторых растений
концентрация АБК повышается до 400—500 мг/г, главным образом за
счет интенсификации ее синтеза. Обработка листьев пшенйцы и
ячменя АБК приводит к закрыванию устьиц и существенному
уменьшению потерь воды. Показано, что АБК ингибирует амилазу
устьичных клеток. Поэтому при обработке листьев АБК осмотическое
давление в устьичных клетках быстро уменьшается в результате
повышения содержания крахмала и резкого падения ионов калия.
Указанные изменения и приводят к закрыванию устьиц. АБК
участвует также в регуляции поступления веществ в клетку, в
стрессовых реакциях растений.
Физиологические функции этилена. Физиологические функции
этилена многообразны.
Ингибирование роста. Этилен тормозит деление клеток, удлинение проростков, останавливает рост листьев (у двудольных),
изменяет направление роста клеток с продольного на поперечное, что
приводит к уменьшению длины и утолщению стебля (на этом
основано применение ретардантов-этиленпродуцентов).
Регуляция процессов старения, опадения листьев и генеративных
органов. Этилен, способствуя старению тканей, ускоряет опадение
листьев и плодоэлементов. Это проявляется прежде всего в специализированных клетках, участвующих в формировании отделительного слоя. Этилен ускоряет созревание плодов и используется для
дозревания плодов в специальных камерах. При локальном
повреждении растение образует так называемый «стрессовый этилен», который способствует отторжению поврежденных тканей.
Регуляция длительности покоя. Этилен увеличивает покой семян,
клубней, хотя в ряде случаев, наоборот, выводит почки из состояния
покоя, что используют яри борьбе с сорняками. У многих видов
растений этилен ускоряет прорастание пыльцы, семян, клубней и
луковиц.
Влияние на генеративную сферу. Этилен способствует смещению
пола растений в женскую сторону, изменяет соотношение женских и
мужских цветков у некоторых сортов огурца, способствует
повышению урожайности. Обработка этиленом способствует
зацветанию некоторых видов растений, например манго и ананасов.
Участие в корреляционных взаимодействиях. Этилен играет роль
медиатора гормонального комплекса в процессах корреляционных
взаимодействий в растении. Это отчасти объясняется высокой
подвижностью газа в растении. Этилен тормозит полярный транспорт
ауксина и способствует образованию его конъюгатов. Именно с этим,
по-видимому, связана способность этилена усиливать процессы
старения, опадения листьев и плодов.
Предполагают, что в случае апикального доминирования ауксин,
синтезируемый делящимися клетками апекса, индуцирует биосинтез
этилена, который регулирует концентрацию АБК в покоящихся
пазушных почках. Для повышения концентрации этилена в тканях
растений их опрыскивают раствором этрела (этиленпродуцент).
Физиологическая роль фенольных соединений. Разнообразие этой
группы соединений определяет ее полифункциональность в
растениях.
Фенолы влияют на процессы роста и развития. Активируя
оксидазу ауксина либо, наоборот, ингибируя ее действие, фенолы, повидимому, регулируют количество ауксина в клетке. Фенолы имеют
общий с ИУК предшественник при биосинтезе. Поэтому синтез
фенолов может быть связан с замедлением биосинтеза ауксина и
наоборот.
Фенольные ингибиторы играют важную роль в покое семян, почек,
клубней и луковиц. Концентрация фенолов возрастает в них при
вхождении в покой и снижается при его завершении.
Фенолы участвуют в транспорте электронов при дыхании и
фотосинтезе, в биосинтезе лигнина; некоторые из них нарушают
окислительное фосфорилирование.
7.3.3.
ФИТОГОРМОНЫ И СТРЕССОВОЕ СОСТОЯНИЕ
РАСТЕНИЙ
Устойчивость растений к воздействию неблагоприятных факторов
среды связана с защитными реакциями, формирующимися с участием
гормонов. В период действия стрессора преобладает роль гормоновингибиторов, а при выходе растений из состояния стресса —
гормонов-активаторов. АБК является основным фактором замедления
обмена веществ при действии стресса, что связано с ее способностью
интенсивно накапливаться в клетках, тканях и органах, а при
улучшении условий быстро подвергаться деградации. Абсцизовая
кислота особенно быстро накапливается в растениях при водном
дефиците. Этилен также интенсивно образуется в растениях в ответ
на действие засухи, жары, на повреждение насекомыми и инфекцию,
на механические травмы и др. «Стрессовый» этилен способствует
отмиранию и отторжению поврежденных тканей, листьев и других
органов растений, что обеспечивает нормальную работу растения в
целом. При засухе, недостатке элементов минерального питания и
других факторах нарушаются синтез цитокининов в корневых окончаниях и их транспорт в надземную часть растений. С помощью
экзогенных цитокининов удается повысить устойчивость клеток
растений к разнообразным стрессовым воздействиям, сохранить
жизнеспособность листьев.
7.3.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФИТОГОРМОНОВ
Многокомпонентная гормональная система участвует в управлении ростовыми и формативными процессами растений, в реализации генетической программы роста и развития. В онтогенезе в
отдельных частях и в целом растении обеспечиваются определенные
градиенты гормонов, соотношение активаторов и ингибиторов
процессов, определенный гормональный статус. Этот статус
обеспечивается в растении путем синтеза новых порций гормона,
инактивацией гормона, транспорта гормона, совместного действия
гормонов и как результат усиления или ослабления функций
растения.
В. И. Кефели (1991) считает, что для обеспечения каждой формы
ростового процесса имеется доминирующий гормон, а другие
гормоны сопровождают его (рис. 118). Регуляцию прорастания семян
можно представить как доминирование гиббереллина, цитокинина
или ауксина с редукционным содержанием эндогенного ингибитора;
регуляцию роста корня — как действие ауксина с редукционным
содержанием ингибитора; регуляцию роста стебля — как функцию
совместного действия гиббереллина и ингибитора; старение стебля
— как доминирование ингибиторов (АБК, этилен) с редуцированным
содержанием гиббереллинов;
старение листьев — как доминирование АБК с редуцированным содержанием цитокиРост
Апикальное
Зеленение
семядолей
доминирование
листа
нина. Следует подчеркнуть, что
ауксин индуцирует, а гибАБК
береллин
приостанавливает
процесс образования корней;
Растяжение
Опадение
рлегпок
зеленение листа запускает циЭтилен
ИУ1Г
'
Ауксин
токинин, а АБК его останавли- сренольный.
вает. Цитокинин вызывает рост ингибитор
боковой почки, а ауксин
Рост стебля
Ризогенез
приостанавливает его. СтареюГцббелш
Ауксин
(ремльный
щие органы обедняются ауксиингибитор
нами и обогащаются этиленом,
начинается
формирование
отделительного
слоя.
Если
Изгиб корня
Рост корня
ауксины способствуют биоИУК
пук
АБК
синтезу белков, клетчатки и
АБК
пектинов в растении, то этилен
— их распаду.
Антагонизм цитокинина и
Рис. 118. Взаимодействие фитогормоабсцизовой кислоты проявляется
нов при росте:
в ростовых явлениях, движении
в числителе — стимулирующий фактор;
в знаменателе — подавляющий фактор
устьиц, в процессе старения и др.
(по В. И. Кефели, 1984)
Повышение
ПОП
концентрации ауксина в одном органе растения приводит к
накоплению этилена и АБК в других, что имеет место при
коррелятивном ингибировании, суть которого в том, что торможением
роста одних органов обеспечивается нормальное формирование
других. Аттрагирующая способность тканей (по притоку меченого
фосфора 32 Р из листьев) от совместного наложения на
декапитированную верхушку стебля фасоли ли- нолиновой пасты,
включающей цитокинин, ауксин и гиббереллин, многократно
возрастает по сравнению с действием одного из гормонов.
Взаимодействие фитогормонов в растении на уровне биосинтеза
возможно благодаря их общему предшественнику и взаимодействию
метаболических ветвей, ведущих к активации или подавлению
биосинтеза гормонов конечным продуктом. Так, биосинтез этилена
может индуцироваться повышенной концентрацией ауксина или его
аналогов (2,4-Д, НУК и др.). Имеются данные, что вызываемое
экзогенными ауксинами опадение листьев, подавление роста корня,
стебля или почек обусловлены не ауксином, а индуцированным им
этиленом. В растущих клетках молодых растений этилена образуется
больше, чем в закончивших рост и дифференцировавшихся. Это
связано с тем, что синтез этилена в ткани зависит от содержания в ней
ауксина. АБК усиливает переход в растении гиббереллинов в менее
активные формы, например Ai в As.
1.1.5.
ВЛИЯНИЕ ФИТОГОРМОНОВ НА РОСТ И МОРФОГЕНЕЗ РАСТЕНИЙ
Благодаря работам отечественных (Н. Г. Холодный, Н. А.
Максимов, Ю. В. Ракитин, М. X. Чайлахян, Г. С. Муромцев, В. В.
Полевой, В. И. Кефели, О. Н. Кулаева) и зарубежных исследователей
сформировалось
представление
о
физиологической
роли
фитогормонов в онтогенезе растения, их взаимодействии в реализации
общей генетической программы роста и развития растений и
составляющих ее подпрограмм. Для использования экзогенных
регуляторов необходимо учитывать роль фитогормонов в отдельные
периоды онтогенеза данного растения (рис. 119).
Прорастание семян. В набухающем семени центром образова- .
ния или высвобождения гиббереллинов, цитокининов и ауксинов из
связанного (конъюгированного) состояния является зародыш. Из
зародыша первые порции этих гормонов обеспечивают мобилизацию
запасных белков, углеводов и др., способствуя питанию зародыша, а
также стимулируют начало процессов деления и растяжения клеток в
осевых органах зародыша, запуск всего ростового процесса молодого
растения. Ведущая роль на этом этапе принадлежит гиббереллину.
Гиббереллин вызывает в
• ЦТК
Фототропизм
ЦТК
Фапоморфоеенез
АБК ЦТК
фотосинтез
Прорастание
Опадение листьев
Созревание семян
Плодоношение Цветение
Рис. 119. Фнтогормоны в онтогенезе растений:
ГК — гибберелловая кислота; ИУК — индолилуксусная кислота; АБК — абсцизовая кислота;
ЦТК — цитокинин; АН — антезин
АБК
ООО Покой
эндосперме синтез новых порций гидролитических ферментов,
которые расщепляют связанные гормонально-белковые комплексы
ауксинов и цитокининов. Следствием этого являются запуск новых
физиологических процессов, повышение ферментативной активности
эндосперма семян (амилазы, протеазы, фосфатазы, эстеразы,
пероксидазы). Апикальная меристема начавшего рост зародышевого
корня синтезирует цитокинины, которые стимулируют рост
колеоптиля и тормозят развитие боковых корней. Синтезируемый в
верхушке колеоптиля ауксин активирует растяжение клеток в
колеоптиле и мезокотиле, а также заложение боковых и придаточных
корней. Апикальные меристемы образующихся корней интенсивно
синтезируют цитокинины и гиббереллины, стимулируя рост побега.
Развитие проростка. В дальнейшем лист прорывает колеоптиль, и
проросток превращается в ювенильное растение, способное к
автотрофному питанию. Регуляция роста отдельных органов растения
(стебель, корень, листья) осуществляется прежде всего за счет
изменения соотношения эндогенных гормонов и определяется
различиями в реакции каждого органа на сходные изменения баланса
фитогормонов. Так, для зон проростка с интенсивным ростом клеток
растяжения характерно высокое содержание ИУК и относительно
низкое АБК и цитокининов. Напротив, делящиеся клетки отличаются
сравнительно низким уровнем ауксина и высоким цитокининов. Далее
гравитация ориентирует рост корня проростка вниз, а стебля вверх.
В процессе ориентации роста основную роль играют ауксин,
образующийся в апексе побега, и абсцизовая кислота, синтезируемая в
верхушке корня. Пробившись на поверхность почвы, побег
ориентируется в сторону света в результате повышения содержания
ауксина на теневой стороне проростка (положительный фототропизм)
и усиленного растяжения клеток этой зоны.
На свету проросток разворачивает листья, линейный рост стебля
несколько затормаживается, он утолщается, начинается фотосинтез. В
хлоропластах накапливаются гиббереллины, АБК, ряд полифенолов. В
листья из корней поступают цитокинины. Активно растущие листья
посредством движения черешков (филотаксис) располагаются на
стебле так, чтобы фотосинтез был максимальным. Филотаксис
определяется ауксинами. Растущий лист кроме собственных продуктов
фотосинтеза использует асси- миляты других листьев за счет синтеза
или накопления в молодом листе фитогормонов, способствующих
притоку питательных веществ. В полностью развившемся листе
снижается содержание этих гормонов и повышается концентрация
ингибиторов роста.
Размножение. Перед цветением уменьшается активность ауксинов,
а ряд растений синтезирует большое количество ингибиторов. Уровень
гиббереллинов у длиннодневных растений резко возрастает (М. X.
Чайлахян, 1988). Для растущей пыльцевой трубки характерно
повышенное содержание ауксинов; после оплодотворения в семяпочке
возрастает уровень цитокининов, а затем ауксинов. Семя становится
активным центром притяжения питательных веществ из других
органов растения. В нем накапливаются также фитогормоны в
связанной форме. В период активного роста семя обычно сильно
оводнено, так как ауксины интенсивно притягивают воду.
В последующем содержание ауксинов и гиббереллинов в семени
снижается при одновременном возрастании АБК. Накапливающиеся
ингибиторы роста способствуют экспорту питательных веществ в
семена и плоды. В сочных плодах при созревании семян количество
стимуляторов в их мякоти снижается при одновременном увеличении
содержания этилена и АБК.
В зимующих органах растений формируются зародышевые
структуры: почки с зачаточным стеблем, клубни с глазками, луковицы
и др., переходящие в состояние покоя. В растениях снижается
содержание гормонов-стимуляторов, накапливаются ингибиторы и
усиливается их активность. Первоначально накапливаясь в листьях,
ингибиторы затем перемещаются в почки, обеспечивая переход
растений в покой. В период глубокого
покоя в растениях уменьшается
количество
ингибиторов,
а
содержание стимуляторов интенсивно увеличивается весной
при возобновлении роста. Состояние покоя, сопутствующие
ему ингибиторы роста защищают
многолетние
и
зимующие
растения и их органы размножения от неблагоприятных
условий зимовки, препятствуют
неожиданному
развитию
ростовых процессов.
Рис. 120. Механизм корнеобразования у
Гормональная
регуляция клубненосного растения (М. X. Чайлахян,
1984):
клубнеобразования. Все пять
Д — длинный день; К — короткий день
групп фитогормонов принимают
участие в клубнеобразова- нии
растений (М. X. Чайлахян, 1984).
Процесс клубнеобразования проходит две фазы: возникновение и рост
столонов; формирование и рост клубней (рис. 120). Функциональная
роль, фитогормонов в этих процессах следующая: ауксины
синтезируются в стеблевых почках и прилегающих молодых листьях,
стимулируют корнеобразование и тормозят образование клубней;
гиббереллины синтезируются в листьях, стимулируют рост столонов,
задерживая образование клубней; абсцизины задерживают рост
столонов и тем самым стимулируют образование клубней; цитокинины
синтезируются в корнях и вызывают утолщение столонов и
образование клубней.
Между содержанием в растущих клубнях картофеля фитогормонов
— стимуляторов роста и интенсивностью притока в них ассимилятов
из ботвы имеется прямая связь (А. Т. Мокроносов, 1973). Осенние
клубни картофеля содержат большое количество тормозящих веществ,
поступивших из ботвы. Это АБК, фенольные ингибиторы, наиболее
активные в кожуре и периферийной части паренхимы клубней. С
началом зимы уровень ингибиторов в клубнях снижается, а весной они
почти полностью исчезают.
1.1.6.
ИНАКТИВАЦИЯ ФИТОГОРМОНОВ В РАСТЕНИЯХ
Содержание фитогормонов в растениях на необходимом уровне
поддерживается процессами их биосинтеза и инактивации (рис. 121).
Инактивация фитогормонов происходит путем их деградации
(разрушения) с участием соответствующих ферментативных систем.
Связанные фитогормоны могут быть высвобождены и вновь
воздействовать на растения.
Деградация ИУК в растениях осуществляется пероксидазами,
Рис. 121. Основные компоненты системы фитогормонов (В. В. Полевой, Т. С. Саломатова,
1991)
действующими как оксидазы (ИУК-оксидаза). В растениях, однако,
содержатся также и ингибиторы ИУК-оксидазы (хлороге- новая,
феруловая, кофейная, синаповая и другие фенолкарбоновые кислоты),
которые действуют как синергисты ИУК, например, при стимуляции
образования корней. Цитокинины и АБК также окисляются с помощью
соответствующих оксидаз.
Этилен способен включаться в метаболизм вплоть до образования
СО2 или окиси этилена, хотя избыточные количества его обычно
просто выделяются в атмосферу. Обратимое связывание (конъюгация)
ИУК. происходит благодаря образованию комплексов с белками,
аминокислотами, углеводами. В связанном виде ИУК не подвергается
окислению. Много связанной ИУК в семенах. Накопление ауксина в
вакуолях также его иммобилизует. Все эти процессы защищают клетки
от воздействия поступающего извне ауксина. Обратимое связывание
гиббереллинов с сахарами (гликозиды ГА) и некоторыми другими
соединениями распространено у растений.
Связанные гиббереллины выполняют в растениях также функции
запасных и транспортных форм, что обнаружено при изучении
процессов транспорта веществ, созревания и прорастания семян.
Физиологическая активность гиббереллинов, в том числе и
инактивация, может быть связана с переходом одних форм гормона
вдругие (известно более 70 форм ГА). Обнаружены конъюгаты
цитокининов с сахарами (риботиды, рибозиды, гликозиды),
представляющие транспортные и запасные формы.
В растительных тканях имеется значительное количество глюкозного эфира АБК, который при гидролизе высвобождает ингибитор.
Процессы метаболизма этого ингибитора проходят наиболее
интенсивно, очевидно, в апексах. Многие из фенольных соединений
токсичны для ферментов. Токсичность фенолов неопасна благодаря
связыванию их чаще всего углеводами с образованием гликозидов и
эфиров. Связанные фенольные соединения обычно накапливаются в
вакуолях, стенках клеток, секреторных канальцах. Конденсация
фенольных соединений также является способом снижения их
содержания и инактивации.
1.1.7.
МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФИТОГОРМОНОВ
Фитогормоны, обладая полифункциональным действием, регулируют многие биохимические и физиологические процессы
растений. Каков предполагаемый механизм этого действия?
Перемещаясь в растении, гормоны проникают в клетки тканеймишеней, отличающиеся повышенной чувствительностью к гормонам.
Проникнув в клетки, гормон связывается с белками-рецепторами,
являющимися проводниками гормонального действия в клетке.
Взаимодействие гормона и рецептора приводит к биохимическим
реакциям, обеспечивающим реализацию физиологического действия
данного гормона. Известны два типа рецепторов: внутриклеточные
растворимые белки-рецепторы, связывающие фитогормоны и
мигрирующие между цитоплазмой и ядром; мембранные белкирецепторы,
связывающие
фитогормоны
из
внеклеточного
пространства. Рецепторы первого типа, связав гормон, воздействуют
на метаболизм в клетке, изменяя уровень транскрипции
соответствующих генов ДНК ядра и органелл (экспрессия генома).
Обнаружены растворимые связывающие белки первого типа для
ауксина, цитокинина и гиббереллина. Мембранные белки-рецепторы
второго типа, образовав комплекс с гормоном, вызывают быстрое
увеличение в клетке концентрации метаболитов-посредников, при
помощи которых реализуется физиологическое действие фитогормона.
Подобные белки идентифицированы для ауксина, цитокинина,
этилена, АБК и фузикокцина. Таким образом, механизм действия
фитогормонов в клетке сводится прежде всего к активации специфических генов, ответственных за синтез необходимых ферментов
Рис. 122. Схема действия цитокининов на метаболизм клеток листа (по О. Н. Кулаевой,
1982)
(рис. 122). Фитогормоны воздействуют также на структуру и функции
клеточных мембран, рибосом, эндоплазматического ретикулума, что
приводит к изменению метаболизма клетки. Механизмы действия как
мембранно-связанных, так и растворимых комплексов белок—гормон
изучены крайне недостаточно. Биосинтез самих фитогормонов
контролируется геномом растения.
1.1.8.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИТОГОРМОНОВ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ
АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Изучение роли отдельных групп фитогормонов в регуляции роста и
развития растений определило возможность использования этих
соединений, их синтетических аналогов и других физиологически
активных веществ с конкретным физиологическим действием в
научных целях и в сельскохозяйственной практике (рис. 123).
Регулировать рост и развитие растений — значит хорошо
сбалансировать действия веществ, ускоряющих и задерживающих эти
процессы. Фитогормоны и синтетические регуляторы роста широко
используют в сельском хозяйстве. Некоторые из применяющихся
веществ служат синтетическими аналогами природных регуляторов.
Аналогами ауксинов являются индолил- масляная кислота (ИМК),
нафтилуксусная кислота (НУК), 2,4-Д (2,4-дихлорфеноксиуксусная
кислота) и др.; аналогами абсцизовой кислоты и этилена — этрел,
этерон и др. Созданы и многие другие синтетические регуляторы роста,
не имеющие природных аналогов, меняющие гормональный статус
растений и как результат изменяющие течение физиологических
процессов в желательном для земледельца направлении.
Гербициды. Это синтетические препараты, вызывающие торможение роста и гибель растений в связи с отмиранием точек роста.
Основой применения гербицидов является их избирательное действие
на различные растения. Разная чувствительность растений к
гербицидам связана с особенностями их морфологии и обмена
веществ, ферментативной системы. У чувствительных растений
гербицид нарушает полярность, вызывает утолщение побегов,
эпинастию,
опадение
листьев,
морфозы,
в
результате
жизнедеятельность растений дезорганизуется и наступает их гибель. В
посевах злаков 2,4-Д избирательно подавляет двудольные сорняки.
Наоборот, ТХА (трихлорацетат натрия) и ДХМ (дихло- ральмочевина)
на посевах двудольных уничтожают злаки. В посевах кукурузы
симазин угнетает все другие растения.
Ретарданты. Это синтетические регуляторы, тормозящие биосинтез гиббереллинов, подавляющие рост стебля и вегетативных
побегов, придающие растениям устойчивость к полеганию (рис. 124).
В то же время они способствуют росту корней, листьев, повышают
содержание хлорофилла, устойчивость растений к неблагоприятным
воздействиям. К ретардантам относятся ССС (или тур), алар, которые
сдерживают вегетативный рост кроны плодовых деревьев и
стимулируют плодоношение, фосфон, уско-
Хранение
Покой
Устойчивость
Опадение
Устойчивость
Созревание
Плодоношение
Рис. 123. Химические регуляторы онтогенеза растений (по В. И. Кефели, 1984):
ГК— гибберелловая кислота; ССС — хлорхолинхлорид; В-9 — ретардант алар; ГМК — гидразид
малеиновой кислоты; ДЯК — ретардант алар или В-9; ИМК — индолилмасляная кислота, ИУК —
индолилуксусная кислота;
(+) — стимуляция процесса; (—) — подавление процесса
Предотвращение полегания зерновых культур
Рис. 124. Применение ретардантов и этиленпродуиентов в сельском хозяйстве
ряющий выгонку декоративных культур и другие соединения. ССС
(хлорхолинхлорид) снижает рост соломины озимой и яровой пшеницы,
ярового ячменя, но делает ее стенки толще, повышает продуктивную
кустистость. Применяется против полегания в посевах зерновых,
семенниках злаковых трав. ССС можно использовать при выгонке
рассады овощных культур, в частности томата. Он повышает
морозоустойчивость клевера и люцерны. Применение алара (продукт
превращения янтарной кислоты) ослабляет Периодичность
плодоношения, ускоряет заюйдку цветочных почек и вызывает
плодоношение молодых деревьев, предупреждает преждевременное
опадение плодов яблони, груши, сливы, вишни, персика, черной
смородины. Ретарданты ССС, алар, фосфон и др. широко применяют в
декоративном садоводстве, так как они укорачивают и делают более
прочными цветоносы.
Регуляторы созревания. Это вещества, ускоряющие достижение
растением, его органами зрелого состояния. Стимуляция
партенокарпического образования плодов винограда, томата достигается обработкой плодоэлементов гиббереллином, ауксином и его
аналогами (НУК, 2,4-Д, 2-хлорфеноксиуксусная кислота). Задержка
опадения завязей у томата достигается применением ауксина.
Обработка ауксином плантаций ананаса позволяет вызывать
зацветание и образование плодов в любое время года.
Применение физиологических аналогов ауксина может приводить к
интенсификации биосинтеза этилена, который ответствен за ускорение
созревания плодов, индукцию цветения некоторых растений.
Обработка гиббереллином обеспечивает стимуляцию роста листьев
чайного куста, выгонку растений в декоративном цветоводстве,
получение длинноволокнистых стеблей и повышение урожайности
конопли, выход волокна и улучшение его качества, повышение урожая
земляники, черной смородины, огурца, сокращение до 5—7 сут
времени производства солода (проростки ячменя), значительное
повышение его качества. Опрыскивание раствором кинетина растений
подсолнечника на фоне высокой дозы азотного питания приводит к
стимуляции роста растений, ускоряет их зацветание и увеличивает
массу корзинок.
Этрел, алсоп и другие доноры этилена (этиленпродуценты)
освобождают этилен при метаболизме в растительных тканях. Этрел
повышает урожайность огурца и других растений семейства
Тыквенных, так как при опрыскивании им молодых растений
увеличивается число женских цветков. Опрыскивание этрелом
уменьшает усилие, необходимое для отряхивания плодов и ягод,
облегчает механизированную уборку. Собранные зеленые томаты
хорошо дозревают потом в этиленовых камерах. Этот же метод
применим к плодам, которые в зрелом состоянии не выносят
транспортировки (бананы, томаты и др.). Погружение на 2— 3 мин в
раствор этрела ускоряет послеуборочное созревание зеленых плодов
томата, бананов и дынь.
Ре1уляторы покоя. Продлить покой, улучшить лежкость клубней,
корнеплодов и луковиц можно обработкой посевов за 12— 15 дней до
уборки гидразидом малеиновой кислоты (ГМК). Для прерывания покоя
свежеубранных клубней раннего картофеля (для летних посадок) их
обрабатывают раствором гиббереллина и тиомочевины, что
стимулирует пробуждение глазков. Для прерывания глубокого покоя
при зимней выгонке ландышей, нарциссов, тюльпанов применяют
этиленхлоргидрин.
Регуляторы вегетативного размножения растений. Для улучшения корнеобразования у черенков, сеянцев, саженцев и взрослых
деревьев и кустарников применяют аналог ауксина (ИУК) — НУК и
ИМК. ИУК, попадая в ткани растения, быстро разрушается и поэтому
малопригоден для практических целей.
Дефолианты и десиканты. Применяют для ускорения опадения и
засыхания листьев, что необходимо при механизированной уборке
хлопчатника и других культур. Дефолианты — вещества, вызывающие
опадение листьев, десиканты — вещества, способствующие
обезвоживанию растительных тканей.
Активаторы (регуляторы) транспорта веществ в растении. Приобретают все более важное значение синтетические регуляторы,
ускоряющие транспорт питательных веществ, активизирующие их
накопление в хозяйственно полезных органах (плодах, семенах),
повышающие их аттрагирующую способность. К таким препаратам
относятся вещества, интенсифицирующие отток углеводов из листьев
сахарного тростника или сахарной свеклы в стебли или корни (ортонил
и др.).
В заключение следует отметить, что современное сельское
хозяйство не может обойтись без применения экологически
безопасных, генетически безвредных регуляторов роста растений.
7.4.
7.4.1.
БИОТЕХНОЛОГИЯ
ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И КЛЕТОЧНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
Одним из приоритетных направлений биологической науки в
последние годы стала биотехнология. В основе молекулярной и
клеточной биотехнологии лежит тотипотентность клеток — способность растительной клетки при определенных условиях развиваться
в целый организм, основанная на полной генетической информации в
ее ядре. Культура тканей растений — область биологии, изучающая
клетки, ткани и органы, изолированные от растения и выращиваемые
на искусственных питательных средах, in vitro.
Изолированные органы, ткани, клетки, протопласты — удобные
модели для изучения метаболизма, роста и развития растений. Как и
любая другая модель, каждая из названных систем проще
моделируемого объекта, т. е. целого растения, и не отражает всех
присущих ему взаимосвязей. Однако собственные достоинства
моделей позволяют в ряде случаев точнее и глубже понять сущность
изучаемого явления. Среди этих достоинств: выращивание растений в
стерильных условиях, исключающих артефакты, вносимые
микрофлорой; изучение процессов на уровне клетки, ткани, органа вне
контроля со стороны других органов, тканей и целого организма;
возможность точного контроля условий выращивания и более
эффективного воздействия регулирующими факторами; большая
простота и сравнительная однородность изучаемых объектов.
Стерильная культура растений и проростков дает возможность
изучать биохимические основы процессов роста и развития, не
опасаясь появления артефактов. Искусственные питательные среды в
отсутствие микрофлоры дают возможность изучить влияние
органических добавок и промежуточных метаболитов.
Культура изолированных органов позволяет оценить собственные
возможности метаболизма и рост органа.
Рис. 125. Совместное действие ИУК и кинетина на рост и процессы дифференцировки
каллуса сердцевины стебля табака:
7 — ИУК 2 мг/л; 2— ИУК 2 мг/л + кинетин 0,02 мг/л; 3 — ИУК 2 мг/л + кинетин
1 мг/л; 4— ИУК 2 мг/л + кинетин 5 мг/л
Для получения культуры клеток, тканей и протопластов используют
молодые растущие части растений. Поэтому меристематические
клетки были впервые использованы в культуре тканей. Классическим
объектом является табак.
Кусочек стерильного участка меристемы табака (эксплантат)
помещают на агар, содержащий необходимые питательные вещества, а
также гормоны ауксин и цитокинины, стимулирующие деление клеток.
На такой питательной среде клетки очень быстро размножаются,
образуя каллусную ткань. Каллус — это беспорядочно делящиеся
клетки, рыхло связанные друг с другом. Часть каллусной ткани
(трансплантат) используют для пересадки на свежую питательную
среду. Таким образом можно получить большое количество каллусной
ткани. Методы выращивания изолированных тканей были впервые
разработаны Ф. Уайтом и Р. Готре (1949), дальнейшее развитие
методов получения каллусной ткани получено в лабораториях Б. Скуга
и Р. Г. Бутенко (1963).
Пересаживая часть каллусной ткани на новую питательную смесь и
изменяя в ней гормональный баланс, индуцируется активность тех
генов клеток, которые отвечают за переход в меристематическое
состояние с последующей дифференцировкой стеблевого и корневого
апексов или эмбриоидной структуры. При изменении соотношения
ИУК: цитокинины в пользу ауксина в каллусной ткани формируется
группа клеток, которые дают начало образованию зачатков побега. При
увеличении концентрации цитокинина в каллусе закладываются
зачатки корней и наблюдается процесс органогенеза (рис. 125). Иными
словами, изменение соотношения ауксинов и цитокининов в среде
вызывает у каллусной ткани процессы регенерации.
7.4.2.
РЕГЕНЕРАЦИЯ РАСТЕНИЙ
Регенерации растений из культуры тканей можно достичь,
используя один из трех методов: культуру зародышей, соматический
эмбриогенез и органогенез. Культура зародышей представляет собой
стерильную культуру зиготических зародышей. Зародыш изолируют
из семени или семяпочки и помещают в искусственные условия,
заменяющие эндосперм (т. е. питательную среду). Последующие
развитие и прорастание зародыша происходят так же, как в семени.
Соматический, или неполовой, эмбриогенез представляет собой
процесс формирования зародышеподобных структур из соматических
клеток. Соматический зародыш — это независимая двухполюсная
структура, физически не прикрепленная к ткани, из которой
происходит. Такие зародыши в дальнейшем могут развиваться и
прорастать в регенеранты через стадии, соответствующие тем, что
наблюдаются при развитии зиготы. Подобное явление можно
встретить у многих видов растений в условиях in vitro при работе с
культурами различных типов клеток, тканей и органов, тогда как в
природе такие процессы происходят внутри семяпочки.
Формирование растений путем органогенеза состоит в появлении и
росте побегов из каллусов или в инициации и росте побегов из
пазушных почек, развившихся на культивируемых верхушках побегов
и образовавших впоследствии адвентивные корни. Побег — это
однополюсная структура, физически связанная с тканью, из которой
происходит.
Для образования каллусов можно использовать любые эксплантаты: стебли, листья, корешки, черешки листьев, лепестки
цветков. Для получения морфогенного каллуса лучше всего брать
органы, в которых клетки митотически активны. Высокие концентрации ауксинов и низкие — цитокининов вызовут образование
каллусной ткани (рис. 126). Интенсивность, тип и продолжительность
освещения, температура, соотношение Оз и СО3, а также других газов,
как и физический состав среды, — все это важно в процессе
морфогенеза культуры тканей растений. Обычно каллус растет в
темноте. Формирование побегов и зеленение каллусов происходят на
свету.
7.4.3.
ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА КУЛЬТУРЫ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ
В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Культура клеток и тканей может быть использована при
вегетативном размножении растений, для получения безвирус- ных
сортов и видов различных сельскохозяйственных культур, для
промышленного клонального размножения многих растений.
Рис. 126. Культивирование меристемиой ткани картофеля и прорастание пазушных почек
in vitro (по Б. Тиссеру, 1989):
1 и 2— клубни, выращенные в полевых условиях; 3— часть клубня, стимулированная на образование
побега; 4 — меристемные ткани побега, пересаженные на среду без регуляторов роста; 5 — развитие
придаточных корней; 6— развитие пазушных почек на среде с НУК; 7— растение-регенерант с хорошо
развитыми побегами и корнями. Можно перенести в почву (7) или вызвать образование миниатюрных
клубней на среде с БА
Кроме твердой агаризованной среды для культуры клеток используют суспензионную культуру. Суспензионные культуры —
одиночные клетки и агрегаты, которые растут в жидкой питательной
среде определенного состава в стерильных условиях. Необходимым
условием
получения
суспензионной
культуры
является
перемешивание или встряхивание среды.
Обычно суспензию получают из рыхлой каллусной ткани, помещая
ее в исходную питательную среду.
Суспензионная культура используется для изучения путей
вторичного метаболизма, синтеза ферментов, экспрессии генов. Она
может служить источником получения ценных биологически активных
веществ, исходным материалом для клеточной селекции.
Для проведения клеточной селекции применяют посев на агаризованную среду. Конечная цель клеточной селекции — получение
растений из клеточных клонов.
Существуют два направления применения культуры клеток и
тканей для целей селекции. Одно связано с использованием методов in
vitro для получения новых форм растений путем клеточной селекции и
соматической гибридизации (получение гибридов с помощью слияния
изолированных протопластов, выделенных из клеток тела растения).
Другое направление связано со вспомогательным применением
методов in vitro в традиционной селекции для ускорения и облегчения
селекционного процесса.
Для этого используют изолированные протопласты, полученные
после растворения клеточных стенок. Изолированные протопласты
способны поглощать макромолекулы и органеллы из окружающего
раствора. Благодаря этому, а также возможности слияния
протопластов, индукции у них меристематической активности и
регенерации целого растения культура изолированных протопластов
интенсивно используется как объект генной инженерии и
модификации растительной клетки. С их помощью получают
соматические гибриды отдаленных видов при их половой
несовместимости, а также новые формы растений путем внедрения в
клетку чужеродного генома или части его. Эффективным приемом
является введение в протопласт части генома, ответственного за
устойчивость к болезням.
В настоящее время генная инженерия приобретает все большее
фундаментальное и прикладное значение. Трансгенные растения
получены у довольно значительного числа культур. Среди них такие
хозяйственно ценные, как хлопчатник, картофель, томат, рапс,
подсолнечник, люцерна, клевер. Имеются сообщения о трансформации
видов из семейства злаковых и бобовых культур.
Культивирование in vitro пыльцы и пыльников позволяет получать
гаплоидные растения и каллусные ткани. Эго представляет большой
интерес для генетики и селекции, так как у гаплоидов легче выявить и
отобрать ценные мутанты, а с помощью колхицина можно получить
полностью гомозиготные диплоидные растения.
Растения используются в качестве не только источника питания, но
и поставщиков широкого набора химических соединений, включая
лекарственные препараты, инсектициды, пищевые добавки, отдушки и
красители. Чаще всего основной интерес представляют продукты
вторичного метаболизма растений. За последние 30 лет на химически
стандартных средах культивировали множество различных видов
растений, и в таких культурах обнаружены многие продукты
вторичного метаболизма, представляющие практической интерес.
Развитию культуры клеток растений в качестве альтернативного
источника вторичного метаболизма способствовали определенные
преимущества этого способа, включая независимость от сезонных
условий, болезней и их переносчиков, и возможность получать
требуемый продукт, обладающий стандартными качественными
характеристиками в необходимых количествах. Культуры клеток
растений способны продуцировать вторичные метаболиты в высоких
концентрациях.
Для синтеза продуктов вторичного метаболизма используют
быстрый рост суспензионных культур в больших объемах, из которых
в результате дальнейшего культивированйя получают вторичные
метаболиты. Быстрый рост суспензионных культур клеток
поддерживается с помощью регулярных пересадок на той же среде.
Для перехода в дальнейшем культуры клеток к синтезу вторичных
метаболитов необходимо подобрать подходящую питательную среду,
которая обеспечит как рост культуры, так и образование продуктов
вторичного метаболизма. После этого важно повысить выход
продуктов, манипулируя внешними условиями культивирования:
интенсивностью и качеством света, газовым составом среды,
температурой. Максимальный выход продукта в соответствующих
культурах клеток достигается правильным сочетанием состава среды и
внешних условий.
7.5.
ЛОКАЛИЗАЦИЯ РОСТА У РАСТЕНИЙ
Рост растений происходит за счет деления и растяжения клеток
стебля, корня, листьев и плодовых органов. Ростовые процессы
локализованы в меристемах. Различают апикальные, интеркалярные и
латеральные меристемы. Апикальные, или верхушечные, меристемы
расположены на концах главного и боковых растущих побегов и
кончиках корней всех порядков. Это апексы, или точки роста.
Конусообразный апекс побега называют конусом нарастания.
Апикальные меристемы главного побега и корня закладываются на
ранних фазах развития зародыша. За счет этих меристем
осуществляются рост осевых органов в длину, образование зачатка
органа и первоначальное разделение его на ткани, формирование всех
надземных органов растения. Активируя или подавляя деятельность
апикальной меристемы, можно влиять на продуктивность и
устойчивость растений. По В. В. Полевому (1989), апикальные
меристемы побега и корня — это главные координирующие
(доминирующие) центры растения, определяющие его морфогенез.
Стебель однодольных растений растет также за счет интеркалярной
(вставочной) меристемы, расположенной в основании молодых
междоузлий и листьев. Утолщение стебля и корня обеспечивают
латеральные (боковые) меристемы: первичные — прокамбий и
перицикл и вторичные — камбий и феллоген. Постоянный рост растения на всех этапах онтогенеза позволяет ему
удовлетворять потребности в энергии, воде и элементах минерального
питания. Некоторые органы растений (листья, цветки и плоды) растут
до определенного размера, стареют и отмирают. Для растений
характерны регенерационные процессы.
Активность меристем зависит от влияния внешних условий,
сложных взаимоотношений внутри растительного организма (полярность, корреляция, симметрия, возрастные изменения и т. д.). В
сельскохозяйственной практике при помощи полива, подкормок,
прореживания и других мероприятий можно влиять на количество
закладывающихся в конусах нарастания метамер- ных органов (листья,
ОПП
побеги ветвления, соцветия, колоски, цветки и др.), на их
последующий рост, редукцию и в итоге на продуктивность растений.
7.6. ОСОБЕННОСТИ РОСТА ОРГАНОВ РАСТЕНИЯ
Конус нарастания формирует компоненты побега: стебель, листья,
почки, цветки.
Рост стебля. Апикальная меристема стебля имеет размеры 0,1—0,2
мм в диметре и защищена листьями. Удлинение стебля происходит
благодаря росту образующихся верхних междоузлий. При закладке
генеративных органов пролиферация клеток апикальной меристемы
ускоряется.
Этот
процесс
связан
с
фотопериодической
чувствительностью, яровизацией и другими факторами. У злаков
дифференциация колоса начинается в фазе кущения. Для роста
каждого
отдельного
междоузлия
характерны
медленный
первоначальный рост за счет деления клеток, последующий быстрый
рост при переходе клеток к растяжению и, наконец, замедление роста
клеток у зрелого междоузлия.
В благоприятных условиях самые длинные междоузлия формируются в средней части побега. Очередное междоузлие переходит к
интенсивному росту при снижении его темпов у предыдущего. У
растущих междоузлий наружные ткани испытывают на-’ тяжение
(растягивание), а внутренние — компрессию (сжатие), что наряду с
тургорным давлением клеток обеспечивает прочность стеблей
травянистых растений. Боковое ветвление происходит за счет роста
пазушных почек, заложенных в верхушечной меристеме побега, или
прорастания придаточных, (адвентивных) почек, закладывающихся на
стеблях, листьях и корнях некоторых растений. Утолщение —
результат деятельности латеральных меристем — камбия.
У однолетних растений деление клеток камбия заканчивается к
цветению. У древесных форм камбий с осени до весны находится в
состоянии покоя, который наступает сначала в ветвях, затем в стволе и
в корнях. Периодичность деятельности камбия
определяет наличие годичных колец в стволе дерева. Пробуждение
камбия весной связано с действием ауксинов, опускающихся вниз из
распускающихся почек. Темпы удлинения стебля побегов
регулируются поступающими ауксинами и гиббереллинами,
синтезируемыми стеблевыми апексами и молодыми листьями.
Гиббереллины транспортируются также из корня. Для интенсивно
растущих междоузлий характерно повышенное содержание
гиббереллинов и ауксинов. Отсутствие роста междоузлий у розеточных форм растения связано с недостатком гиббереллинов. Высота
растения определяется их геномом, а в значительной мере —
условиями выращивания.
Рост листа. Зачаточные листья возникают на конусе нарастания
побега в виде валиков или бугорков (примордия), клетки которых и
формируют лист. Интервал между заложением двух листовых зачатков
у разных растений составляет от нескольких часов до нескольких суток
и называется пластохроном. Величина пластохрона зависит от условий
выращивания. Несколько зачатков листьев имеется в зародышевой
почке, но большая их часть формируется после прорастания. Закладка
листьев связана с изменением направления деления и растяжения
клеток апекса в разных его частях.
У двудольных листовая пластинка увеличивается путем равномерного роста клеток (в основном растяжением) по всей площади
листа. Наличие нескольких точек роста определяет образование
зубцов, лопастей, листочков. У однодольных лист удлиняется за счет
базального интеркалярного роста. Утолщение листовой пластинки
осуществляется растяжением клеток палисадной паренхимы и
делением клеток Мезофилла. Рост листа прекращается, когда
начинается интенсивный экспорт продуктов фотосинтеза. Для
формирования примордиев и тканей листа необходимы цитокинин и
ауксин. Ауксин влияет на образование проводящих пучков, а
гиббереллин — на удлинение листовой пластинки. Большое влияние
на рост листьев оказывают интенсивность и качество света. В темноте
рост листа заторможен. Свет стимулирует деление, но тормозит
растяжение клеток. При затенении листья крупнее и тоньше, чем на
свету. Интенсивный свет вызывает утолщение пластинки листа за счет
образования дополнительных слоев столбчатой паренхимы.
При недостатке воды формируются мелкие листья с ксероморфной структурой, что связано с увеличением АБК и этилена. При
недостатке азота уменьшается число делений клеток за период роста
листа, сокращается его поверхность. Низкая температура тормозит
рост листа в длину и стимулирует утолщение. При этом у
морозостойких сортов озимой пшеницы длительность фазы растяжения клеток сокращается в большей степени, чем у нестойких.
Особенности роста корней. В корневой системе растений выделяют главный корень, боковые и придаточные корни. Первичный
корень формируется еще в зародыше семени, и его рост до выхода из
семени происходит путем растяжения базальных клеток меристемы
зародышевого корешка. У двудольных растений зародышевый корень
ИЛ1
становится главным (стержневым), образует боковые корни,
формируется стержневая корневая система. У однодольных растений
первичный
корень
дополняется
придаточными
корнями,
образующимися в основании побега, формируется мочковатая
корневая система.
Прорастание семян начинается с появлением зародышевого корня,
который очень быстро растет, затем темпы его роста снижаются при
одновременном ускорении роста надземных органов. В дальнейшем
рост корня снова возобновляется. Указанные особенности
обеспечивают укоренение на первом этапе и гармоничное развитие
гетеротрофной и автотрофной частей растения в последующий период.
У корней всех типов выделяют четыре зоны: деления, покрытая
корневым чехликом, растяжения, корневых волосков и проведения
(ветвления). У корней кукурузы, гороха, овса, пшеницы и других
растений растущая часть короткая — меньше 1 см. Чем тоньше корень,
тем короче его меристема. По сравнению с надземными органами
клетки корневой системы растут и делятся гораздо быстрее. В корне
короткая зона растяжения, что важно для преодоления сопротивления
почвы. Зародышевые корни кукурузы, бобов, пшеницы развивают
давление до 8—16 атм на 1 см2. Ветвление корней в сочетании с
высокой скоростью их роста обеспечивает постоянное поглощение
воды и ионов.
Боковые корни закладываются в зоне поглощения или выше. При
ветвлении различают корни первого, второго и последующего
порядков. Боковые корни закладываются в перицикле материнского
корня. Меристематические клетки образующегося бокового корня
выделяют гидролитические ферменты, растворяющие оболочки клеток
коры и ризодермы, обеспечивая выход его наружу. Придаточные корни
закладываются
в
меристематических
или
потенциально
меристематических тканях (камбий, феллоген, сердцевинные лучи)
разных органов растения (старые участки корня, стебли, листья и др.).
Апикальная меристема корня формирует корневой чехлик,
выполняющий очень важные функции. Он защищает меристему при
продвижении корня в почве; клетки чехлика выделяют
полисахаридную слизь и постоянно слущиваются с его поверхности;
слизь содержит гликопротеины — лектины, защищающие клетки
меристемы корня от патогенов и высыхания при недостаточной
влажности почвы. Корневой чехлик является сенсорной зоной,
воспринимающей действие гравитации, света, давления почвы,
химических веществ, определяет направление и скорость роста корня.
В нем синтезируется АБК, меняется в обратном направлении поток
ИУК, поступающей из побега.
На границе с чехликом в меристеме находятся клетки покоящегося
центра, в состав которого входят инициальные клетки разных тканей
(500—1000 клеток). Покоящийся центр восстанавливает численность
клеток меристемы при их естественном изнашивании или
повреждении. Скорость деления и роста клеток в корнях намного
выше, чем в других органах растения.
В результате роста растяжением первоначальный объем меристематической клетки увеличивается в 10—30 раз за счет образования и увеличения вакуоли. Этот процесс обеспечивается увеличением содержания в вакуоли осмотически активных веществ
(ионов, органических кислот, сахаров и др.), последующим интенсивным поступлением в нее воды, в итоге гидростатическое
давление, создаваемое вакуолью, приводит к растяжению клеточной
оболочки. Для зоны растяжения корня характерны повышенная
интенсивность дыхания, активация ряда ферментов (аук- синоксидаза,
полифенолоксидаза, цитохромоксидаза и др.).
Некоторые эпидермальные клетки корня образуют корневые
волоски длиной 0,15—8 мм. Число корневых волосков у кукурузы
достигает 420 на 1 см2 поверхности корня. Корневые волоски
значительно увеличивают поглотительную поверхность корня. Они
функционируют в среднем 2—3 дня и отмирают. При отсутствии
кальция в питательном растворе, аэрации корневые волоски не
образуются.
Рост корня зависит от возраста и вида растения, условий внешней
среды. Благоприятные для фотосинтеза условия среды способствуют
росту корней, и наоборот. Затенение растений или скашивание
надземной части тормозит рост и уменьшает массу корней.
Оптимальная температура для роста корней несколько ниже, чем для
побега. Отношение корней к температуре меняется в онтогенезе. Так,
корни молодых растений томата растут лучше при 30 °C, чем при 20
°C, а взрослых наоборот. При высыхании почвы до влажности
завядания рост корней прекращается. При умеренном орошении корни
пшеницы располагаются в верхних слоях почвы, а без полива
проникают глубже.
Оптимальная плотность почвы для роста корней кукурузы и других
сельскохозяйственных культур 1,1—1,3 г/см3. В плотной почве
уменьшаются длина клеток и размер зоны растяжения из-за
образования этилена. Уплотнение почвы ухудшает энергё- тический
баланс растений, увеличивает затраты на дыхание. Критическое
содержание Ог в почвенном воздухе для поддержания
жизнедеятельности корней около 3—5 % объема.
Потребность корней в кислороде тем больше, чем выше
температура почвы. Минимальной потребностью в кислороде
отличаются рис и гречиха, а максимальной — томат, горох, кукуруза.
Корни риса имеют специальную воздухопроводящую ткань —
аэренхиму. У растений озимой ржи и пшеницы на посевах,
затопленных весной талыми водами, листья, находясь в воздухе, также
могут непродолжительное время снабжать корни кислородом. Для
роста корней большинства растений оптимальный pH 5-6.
Гормональная регуляция роста корня. Для роста корней необходимы низкие (10
10—10 М) концентрации ауксина. Увели
чение потока ауксина из побега тормозит рост корня в длину, что
объясняется и индукцией синтеза этилена. Гиббереллины не влияют на
рост корня, а цитокинины в повышенных концентрациях тормозят его.
АБК, образуемая корневым чехликом, замедляет рост корня в длину.
Верхушка корня тормозит образование боковых корней, поэтому
удаление ее стимулирует их образование. По-видимому, это результат
действия замедляющих ризогенез цитокининов, образующихся в
верхушке корня.
Заложение боковых корней начинается на таком расстоянии от
верхушки корня, где обеспечивается определенное соотношение
цитокинина и ауксина (активатора ризогенеза), поступающих из
стебля. Этилен способствует заложению боковых корней ближе к
верхушке корня, а обработка растений им вызывает массовое
образование придаточных корней. На плотных почвах механическое
сопротивление среды приводит к синтезу в корнях «стрессового»
этилена. При этом в зоне растяжения клеток вместо удлинения
возникает утолщение, что облегчает раздвигание частиц почвы и
последующее удлинение корня. Уменьшение приростов корня может
быть связано и с накоплением в клетках ингибиторов фенольной
природы и дальнейшей лигнификацией клеточных стенок.
7.7. ЗАВИСИМОСТЬ РОСТА ОТ ВНУТРЕННИХ ФАКТОРОВ
Рост как сложная интегральная функция растений во многом
генетически предопределен. В росте растений каждого конкретного
вида и сорта имеются особенности, определяемые его генотипом. Так,
полиплоидные формы многих растений отличаются увеличенным
размером клеток, листьев, цветков, плодов, всего растения. Гетерозис
многих видов сельскохозяйственных растений проявляется в
ускорении роста сельскохозяйственных растений (кукуруза, свекла,
люцерна, огурец и др.) и повышении их продуктивности. К внутренним
факторам роста относится особенность гормональной системы
конкретного растения. Разные формы роста регулируются различными
сочетаниями фитогормонов, сменяющихся в процессе онтогенеза (В.
И. Кефели, 1984). Регуляцию прорастания семян можно представить
как доминирование гиббереллина, ауксина и отчасти цитокинина при
редуцированном содержании эндогенных ингибиторов, регуляцию
роста корня — как действие ауксина при редуцированном содержании
ингибиторов, регуляцию роста стебля — как результат совместного
действия гиббереллина и ингибиторов.
7.8. РОСТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Периодичность и ритмичность роста. Росту растений, его органов, тканей и клеток свойственны периодичность и ритмичность,
обусловленные внутренними факторами и генетически закрепленные в
эволюции растений (Н. И. Шмальгаузен, 1935; Д. А. Сабинин, 1957; Э.
Бюннинг, 1961; В. В. Скрипчинский, 1977; Е. Е. Крастина, 1970; В. С.
Шевелуха, 1980, и др.). Благодаря периодичности роста и эндогенным
ритмам растения местной флоры хорошо приспособлены к
конкретным условиям местообитания. Ритмичность и периодичность
ростовых процессов растений наблюдаются в течение суток
(циркадные, околосуточные ритмы). У многолетних, озимых и
двулетних форм период активного роста прерывается периодом покоя.
Линейный рост растений тесно связан с ходом накопления биомассы и
может использоваться для оценки физиологического состояния растений при агрономическом контроле за посевом. Применительно к
важнейшим сельскохозяйственным культурам Нечерноземья России В.
С. Шевелухой (1980) выявлено пять основных типов суточной и
онтогенетической периодичности и ритмичности линейного роста
растений и их органов в полевых условиях:
синусоидальный — кривая суточной скорости роста имеет максимум в дневные (10—12 ч) и минимум в ранние утренние (4— 6 ч)
часы (озимая и яровая пшеница, озимая рожь, кукуруза, сорго,
овсяница луговая, тимофеевка луговая, ежа сборная, кострец безостый
и др.);
угловой — суточный рост характеризуется кривой с восходящей и
нисходящей ветвями под острым или тупым углом, наличием одного
максимума (17—20 ч) и одного минимума (3—6 ч) (стебель, листья и
соцветия люпина желтого);
импульсный — кривая скорости роста проходит импульсивно под
прямым или острым углом в течение десятков минут. Максимум
скорости роста наступает в 20—21 ч и сохраняется всю ночь, в дневные
часы заторможен (листья и корнеплоды сахарной и кормовой свеклы);
импульсно-релаксационный — скорость роста меняется равномерно: в ночные часы усиливается, а в утренние и дневные снижается
или прекращается (корнеплоды сахарной и кормовой свеклы, брюквы,
моркови, клубни картофеля);
двухволновой — в . течение суток скорость дважды достигает
максимальных (19—21 и 4—6 ч) и минимальных (12—15 и 1—2 ч)
значений (стебли и листья картофеля).
Рис. 127. Большая кривая роста
Ритмичность роста проявляется и в факторостатных условиях.
Закон большого периода роста. Скорость роста (линейного,
массы) в онтогенезе клетки, ткани, любого органа и растения в целом
непостоянна и может быть выражена сигмоидной кривой (рис. 127).
Впервые эта закономерность роста была отмечена Ю. Саксом (1872), а
линейная фаза роста названа им большим периодом роста. Сигмоидная
кривая получается, если на оси абсцисс откладывать время, а на оси
ординат — рост в каждый промежуток времени (интегральная кривая).
Если на ординате откладывать приросты в единицу времени, то кривая
будет одновершинной (дифференциальная кривая).
Сигмоидная кривая роста характерна для изменения линейных
размеров, площади листьев, плодов и др. Выделяют четыре участка
(фазы) кривой: 1) начальный (индукционный), или лаг- период. Для
него
характерен
медленный
рост;
2)
логарифмический
(экспоненциальный), или интенсивного роста. Рост выражается
прямой линией по отношению к времени — большой период роста; 3)
замедленного роста; 4) стационарного состояния — не наблюдается
видимых процессов роста. Сигмоидная кривая характеризует общие
особенности роста в онтогенезе конкретного растительного объекта,
позволяет выявить его видовые, сортовые особенности, действие
условий среды.
В период лаг-фазы происходят и процессы, предшествующие
видимому росту (синтез белков, ДНК и РНК, фитогормонов,
ферментов). У разных растений лаг-фаза прорастающего семени может
длиться от нескольких часов до нескольких месяцев, что связано с
отсутствием или избытком в семени определенных фитогормонов,
физиологической незрелостью зародыша, обеспе- ченностыо семян
необходимой температурой, водой, кислородом И др.
Вторая и третья фазы кривой связаны с быстрым растяжением
клеток, формированием тканей и органов, усилением межтканевых и
межорганных взаимоотношений (Д. А. Сабинин, 1963; В. И. Кефели,
1978). Во время второй лаг-фазы идет активный синтез фитогормонов
и пластических веществ. Замедление ростовых процессов в третьей
фазе роста объясняется внутренними (старение организма или органа,
накопление ингибиторов и др.) и внешними факторами.
Четвертая — стационарная фаза (окончание ростовых процессов) —
это генетически предопределенное состояние. Анализ кривой скорости
роста зерновых культур показывает, что замедление роста совпадает с
началом определенных этапов органогенеза конусов нарастания (Н. Ф.
Батыгин, 1986). Так, у кукурузы в период заложения мужских и
женских соцветий наблюдается торможение прироста стебля. Для
многолетних трав, плодовых деревьев и кустарников характерны
затухание роста к осени и его возобновление весной следующего года.
Сигмоидные кривые повторяются ежегодно. Закон большого периода
роста отражает течение во времени большинства физиологических
процессов (фотосинтез и дыхание, поглощение воды и элементов минерального питания и др.).
Знание оптимальных кривых роста конкретного вида и сорта
растений позволяет обоснованно проводить агротехнические мероприятия, получать высокие экономически выгодные урожаи
сельскохозяйственных культур в защищенном и открытом грунте. В
коммерческих теплицах дорогостоящими факторами — светом,
влагой, теплом — растения следует обеспечивать в достаточном
количестве прежде всего в период их интенсивного роста. На скорость
и продолжительность фаз роста можно влиять хирургическими
(удаление генеративных органов, боковых побегов, корней,
скашивание), химическими (обработка регуляторами роста) и другими
методами. Следует проводить укосы многолетних трав, убирать
зеленные овощные культуры в период, когда увеличение вегетативной
массы уже не существенно (при переходе в третью и четвертую фазы
кривой роста).
Ростовые корреляции. Ростовые корреляции отражают зависимость роста и развития одних органов, тканей или частей растения от
других, их взаимное влияние. Корреляции роста проявляются на
разных уровнях организации растения. Рост и дифференциация
эмбриональной клетки зависят от окружающих ее клеток и тканей.
Клетки, выделенные из ткани, в клеточной культуре развиваются по
иному пути, могут дать начало целому растению. Корреляции
особенно наглядно проявляются при рассмотрении роста отдельных
органов растения.
Взаимодействие может быть стимулирующим или тормозящим
рост. При размножении растений черенками, на которых имеются
листья, стимулируется образование корней. Формирующиеся семена
сочноплодных растений, выделяя ауксин, стимулируют рост
околоплодника. Удаление кончика корня усиливает ветвление корня.
Удаление боковых побегов (пасынков) вызывает усиленный рост
плодов. Боковые почки побегов однолетних и многолетних растений
при интенсивном росте верхушечной почки могут оставаться в
покоящемся состоянии. Однако после удаления верхушечной
апикальной почки боковые почки начинают расти.
Если у подсолнечника удалить корзинку в период ее формирования,
то спящие почки, находящиеся в пазухах листьев, образуют боковые
побеги с небольшими корзинками. Удаление верхушки побега
проявляется после обрезки у древесных и кустарниковых плодовых и
ягодных растений (яблоня, виноград и др.), после укосов у
многолетних трав. Торможение роста боковых побегов и боковых
корней верхушкой побега или корня называют апикальным
доминированием. Степень апикального доминирования зависит от вида
растения, возраста, освещения. Хорошо освещенные развитые почки
угнетают менее освещенные и находящиеся в тени.
По В. В. Полевому (1989), важнейшим эндогенным механизмом
роста и морфогенеза в целом растении является гормональное
взаимодействие двух доминирующих центров: верхушки побега (ИУК)
и верхушки корня (цитокинин). Роль ауксина в апикальной почке
заключается в создании мощного аттрагирующего центра, в результате
питательные вещества и цитокинин, синтезированный в корнях,
поступают преимущественно в апикальную почку. Поэтому приток
цитокинина к пазушным почкам после устранения апикальной
стимулирует в них клеточные деления.
Верхушечная почка влияет на растяжение клеток побега и корня,
образование проводящих элементов, верхушка побега — на
ориентацию листьев, боковых побегов и корней растения. Кончик
корня, синтезируя цитокинин и являясь аттрагирующим центром,
контролирует рост клеток корня в зоне растяжения, закладку
проводящих пучков и образование боковых корней. Верхушка корня
влияет на развитие стеблевых апексов, формирование и активность
листьев. Важные ростовые эффекты дает взаимодействие
доминирующих центров с листьями, вырабатывающими гиббереллины
и АБК (рис. 128).
Рис. 128. Структура ростовых центров стебля и корня (по В. И. Кефели) и их
основные функции у высших растений (по В. В. Полевому):
1 — зона синтеза гормона; 2 — центр рецепции гормона; 3 — зоны дистанционного управления ростом
почек, боковых корней, листьев; 4 — сенсорные зоны; 5 — зоны клеток покоя
Верхушка побега
Индукция заложения и ___
деятельности камбия
Меристематическая
Индукция образования
проводящих пучков и роста
стебля в толщину
Ингибирование роста
боковых почек
Конкурентная регуляция _
Корнеобразование на стебле
Индукция образования боковых
корней
Индукция развития
стеблевых апексов
Индукция образования
проводящих пучков
Индукция образования - ■
стеблевых почек
Торможение образования ___
боковых корней
— и тканеобразующая
активность, морфогенез
I— Регуляция удлинения стебля
___ Регуляция тропических
движений
старения листьев
■ Ориентация боковых побегов
Ориентация роста корневищ,
столонов и корней
Регуляция удлинения корня
Рост и трофика листьев
Р— Регуляция удлинения стебля
----- Регуляция удлинения и
тропизмов корня
Кончик корня
---- Меристематическая и
тканеобразующая
активность
Сенсорная зона
Коррелятивные отношения между отдельными частями растения
зависят от баланса питательных веществ, складывающегося в
растительном организме. Этим во многом определяются корреляции
между побегом и корнем, размерами листовой поверхности и урожаем
плодов и семян, торможение вегетативного роста при плодоношении.
В онтогенезе соотношение роста надземной и подземной частей
растения определяется геномом растения и внешними условиями.
Так, к концу вегетации у корнеплодов и клубнеплодов усиливается
рост подземных органов запаса, а у плодовых деревьев и кустарников,
откладывающих запасные вещества в стволе и ветвях, рост корневой
системы отстает от надземной части.
У однолетних трав и зерновых к концу вегетационного периода
отношение массы надземной и подземной частей растения
увеличивается. Для увеличения доли в общей биомассе корнеплодов
сахарной и кормовой свеклы, клубней картофеля применяют
механические приемы и регуляторы роста, способствующие оттоку
углеводов в запасающие органы. В условиях засухи рост корней
относительно побегов усиливается. Как уже отмечалось, в
обеспечении взаимного влияния органов растения основное значение
принадлежит фитогормонам, особенно ауксинам. Ростовые
корреляции широко используют в сельскохозяйственной практике.
При пикировке рассады овощей и саженцев плодовых и ягодных
культур у растений удаляют верхушку главного корня, что
стимулирует ветвление и образование мочки боковых корней.
Пасынкование у томата обеспечивает образование крупных плодов.
Чеканка хлопчатника способствует формированию пло- доэлементов.
Учет закономерностей коррелятивного роста лежит в основе
формирования кроны плодовых деревьев и кустарников.
Регенерация. Восстановление поврежденных или утраченных
частей — это защитная реакция растения на повреждения. У многих
растений даже часть листа, стебля или корня в природных условиях
может дать начало новому организму. Явление регенерации
используют в сельскохозяйственной практике при размножении
растений черенками, в биотехнологии при культуре изолированных
клеток и тканей, в физиологии для изучения механизмов морфогенеза
(Н. П. Кренке, 1950; Р. X. Турецкая, 1961; Р. Г. Бутенко, 1964; А. Г.
Юсуфов, 1982 и др.).
Выделяют два типа регенерации у растений (В. В. Полевой, 1989):
физиологическую
и
травматическую.
К
физиологической
регенерациии относятся постоянное восполнение слущивающихся
клеток корневого чехлика, ежегодная замена старых элементов
ксилемы новыми и замена корки у стволов деревьев. Примерами
травматической регенерации являются заживление ран стволов
плодовых деревьев; органогенез, связанный с образованием каллуса;
восстановление апикальных меристем и др. Восстановление
утраченных надземных органов растений происходит за счет
отрастания покоящихся (пазушных) почек многолетних трав после
укоса и др. Повреждение верхушечной части корневой системы
вызывает образование и рост боковых корней.
Полярность. Рост и положение в пространстве растения зависят
от полярности. Полярность — это неравноценность противоположных полюсов клетки, органа, целого растения. Полярность
у растений в онтогенезе проявляется в наличии различных
закономерных осевых и радиальных градиентов. Различают (С. О.
Гребинский, 1961) три типа градиентов: физико-химические,
физиологические, морфологические и анатомические.
Физико-химические градиенты — это различия в температуре,
осмотическом давлении, концентрации разнообразных соединений в
клетках и тканях, в значении pH, биоэлектрических потенциалов и др.
Так, в растениях содержание воды в листьях уменьшается от
основания стебля к верхушке, а зольных элементов, наоборот,
повышается. Поступление и передвижение в растении ионов связаны
с электрическими градиентами.
Физиологические градиенты — это различия в интенсивности
физиологических процессов (фотосинтез, дыхание, транспирация,
транспорт веществ, рост, устойчивость и др.).
Морфологические и анатомические градиенты — это различия в
размерах, форме, строении клеток, листьев, корней по оси органа или
растения. Все градиенты в растении взаимосвязаны.
Физико-химические и физиологические градиенты обусловливают
интенсивность роста и других процессов жизнедеятельности
растения. Уровень этих градиентов характеризует физиологическую
активность растения; их определение важно для практических целей.
Полярность — необходимое условие роста и развития, реализации
генома растения. Различные градиенты, полярность меняются в
онтогенезе растений, в процессах их адаптации к условиям среды.
Индуцирующее действие оказывают гравитация, свет, электрическое и магнитные поля, pH среды и др. Полярность клетки
определяет поляризация молекул белков, нуклеиновых кислот и
других полимерных соединений цитоплазмы. Изменения среды,
например pH, меняет их поляризацию. В онтогенезе растения
полярность возникает у зиготы, деление которой приводит к
образованию двух неравноценных клеток: меньшая (апикальная) дает
начало побегу, большая (базальная) — корню. Полярность органа
составляется из полярности клеток.
В опытах с культурой клеток корня моркови (Ф. Стьюард и др.,
1958) при непрерывном вращении клетки только делились.
Дифференциация же клеток каллуса начиналась лишь после прекращения вращения и увеличения их поляризации. В опытах кафедры
физиологии растений МСХА при длительном клиноста- тировании
наблюдались падение осевого градиента электропотенциалов и
остановка роста растений кукурузы. Таким образом, полярность
клеток, тканей, органов растения является результатом сложного
взаимодействия внутренних и внешних факторов его жизни.
7.9. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ РОСТА
Скорость роста растения — важный интегральный показатель его
физиологического состояния. Для изучения роста используют ряд
методов. В качестве критериев скорости роста периодически
определяют длину (высоту), толщину (диаметр), массу, площадь,
объем растения и отдельных его частей. Полное представление о
росте экспериментатор получает при одновременном учете нескольких показателей. Для измерений используют обычную линейку,
горизонтальный микроскоп, приборы-ауксанографы (ростомеры),
непрерывно регистрирующие изменение высоты растений, диаметра
клубней, корнеплодов, плодов, луковиц. С этой же целью применяют
фото- и киносъемку.
О скорости роста можно судить по числу митозов в единицу
времени, содержанию нуклеиновых кислот в клетке. Результаты
прямых наблюдений используют для анализа роста: абсолютная
скорость роста; скорость роста массы растений на единицу площади
листа (ЧПФ), листовой индекс; прирост биомассы посева;
продолжительность жизни листьев и др.
Абсолютная скорость роста (К) — величина прироста за определенный промежуток времени, отнесенная к единице времени.
ь-ъ ’
где Ж| и Wi — параметры растения или его отдельного органа в моменты времени /| и ft.
Относительный или процентный рост (Л) — прирост, вычисленный в процентах от исходной массы растений или органа.
R = °ioo,
Iro
где Wt — параметр, характеризующий размеры растения в момент измерения; ИЪ —
исходный параметр.
Важно периодически измерять рост корней. Имеется ряд методических подходов: изучение корней растений в водных культурах;
выращивание растений в сосудах, ящиках и лизиметрах с почвой;
метод скелета — корни раскапывают по ходу их в почве и
схематически изображают на рисунках в горизонтальной или
вертикальной проекции; метод траншеи — отмывается корневая
система растений целиком или ее части на срезе траншеи; метод
монолита — вырезают монолиты почвы и отмывают корни; метод
бура — отбирают образцы почвы на разную глубину и отмывают
корни; метод стационара, или стекол, — наблюдают за развитием
корней через стекла, установленные в стенках траншей или в
специальных ящиках с наклонной стенкой; метод радиоактивных
индикаторов; изотопный метод, позволяющий наблюдать за
распространением корней в почве. Кроме того, определяют объем
корней, поглощающую поверхность. Например, в полевых условиях
длина корней у кукурузы достигает 50—700 м, а поверхность — 50—
150 м2. В пахотном слое почвы длина корней у пшеницы 18—80 м. у
ржи — 26—100, у льна — 45 м. Длина корней люцерны в 1 м3 почвы
в первый год жизни составляет 1,8—45,8 км, а на второй год — 37,8—
176,2 км. Всероссийский институт растениеводства (ВИР)
рекомендует следующие показатели, определяемые на основе
ростового анализа двухнедельных растений: число ярусов листьев,
средняя высота растений, средняя длина корней, масса листьев, масса
стеблей, масса надземная, масса корней, общая масса растения,
процент сухого вещества, площадь листьев, поверхностная плотность
листьев (отношение общей массы листьев к площади), отношение
надземной массы к массе корней, отношение массы корней к
надземной массе. Эти простые учеты позволяют сравнивать виды и
сорта растений.
7.10.
ЗАВИСИМОСТЬ РОСТА ОТ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ
Являясь интегральной функцией растения, рост зависит от влияния
абиатических факторов внешней среды: света (его интенсивности,
спектрального состава, продолжительности и периодичности);
температуры (величины и периодичности); питательных веществ
(минеральных и органических); силы тяжести и магнитного поля;
механических воздействий (ветер и др.); сопротивления почвенных
частиц и т. д. На рост растения в посевах и насаждениях влияют также
продукты
жизнедеятельности
и
другие
ценотические
взаимоотношения с одновидовыми и сорными растениями,
физиологически активные вещества (антибиотики, ростовые вещества
и др.), выделяемые микроорганизмами. Связь роста растения с
конкретным фактором внешней среды выражается биологической
одновершинной кривой. Экологические факторы оказывают на рост
прямое и косвенное влияние, опосредованное через изменение других
физиологических процессов.
7.10.1.
СВЕТ КАК ФАКТОР, РЕГУЛИРУЮЩИЙ РОСТ И РАЗВИТИЕ
РАСТЕНИЙ
Действие света на растение подразделяется на фотосинтетическое,
регуляторно-фотоморфогенетическое и тепловое (Ю. К. Росс, 1977).
Свет действует на рост через фотосинтез, для которого требуются
высокие уровни энергии. При слабой освещенности растения плохо
растут. Однако кратковременный рост происходит даже в темноте,
например при прорастании, что имеет приспособительное значение.
Удлинение ежедневного освещения в теплицах усиливает рост
многих растений. По отношению к интенсивности освещения
растения делятся на светолюбивые и теневыносливые.
Свет определяет многие фотобиологические явления: фотопериодизм, фотоморфогенез, фототаксисы, фототропизмы, фото- настии
и др. Наиболее активно регулируют рост красные и синефиолетовые
лучи.
Фотоморфогенез — это зависимые от света процессы роста и
дифференцировки растений, определяющие его форму и структуру. В
ходе фотоморфогенеза растение приобретает оптимальную форму для
поглощения света в конкретных условиях произрастания. Так, на
интенсивном свету рост стебля уменьшается. В тени листья
вырастают крупнее, чем на свету, что доказывает задерживающее
влияние света на рост. В растениях обнаружены две пигментные
системы фоторецепторов — фитохром, поглощающий красный свет,
и криптохром, поглощающий синий свет, с участием которых
индуцируются реакции фотоморфогенеза. Эти пигменты поглощают
ничтожную часть падающего солнечного излучения, которая
используется для переключения метаболических путей (А. А.
Красновский, 1975).
Система красный/далышй красный свет. Фотоморфогенетическое воздействие красного света на растение осуществляется через
фитохром. Фитохром — хромопротеид, имеющий сине-зеленую
окраску. Его хромофор — это незамкнутый тетрапиррол. Белковая
часть фитохрома состоит из двух субъединиц (рис. 129). Фитохром
существует в растениях в двух формах (Фббо и Ф730), которые могут
переходить одна в другую, меняя свою физиологическую активность.
При облучении красным светом (КС — 660 нм) фитохром Фббо (или
Фк) переходит в форму Ф730 (или Фдк)- Трансформация приводит к
обратимым изменениям конфигурации хромофора и поверхности
белка. Форма Ф730 является физиологически активной, контролирует
многие реакции и морфогенетические процессы в растущем растении,
темпы метаболизма, активность ферментов, ростовые движения,
скорость роста и дифференциации и др. Действие красного света
снимается короткой вспышкой дальнего красного света (ДКС — 730
нм). Облучение ДКС переводит фитохром в неактивную
НООС
CH,
I
CH, CH
Протеин
COO-
CH, CH,
CH,
I
I
I
CH, CH, CH, CH, CH, CH
Протеин
HOOC COOCH,
CH,
CH2 CH2
CH3 CH2 CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH н
l_=_J
II
Фитохром ДК
L—J |==J L=J
—О NCNCNC.NO
II
Протеин H
H
II
H
I
H
H
I
H
I
Рис. 129. Предполагаемая структура красного (Ф к) и дальнего красного (Фдк) •
фитохромов
(темновую) форму Фббо (рис. 130). Активная форма Ф730 нестабильна,
на белом свету медленно распадается. В темноте Фдк разрушается или
под действием дальнего красного света превращается в Фк- Таким
образом, система
Красный свет (КС)
* фдк
Фк <
Дальний красный
свет (ДКС)
составляет комплекс реакций, запускаемых переходом от темноты к
свету. Реакции метаболизма растений, управляемые фитохромом,
зависят от концентрации Ф730 и соотношения Ф730/Ф660- Обычно они
начинаются, если 50 % фитохрома представлено формой Ф730.
Фитохром в растении. Фитохром обнаружен в клетках всех
органов, хотя его больше в меристематических тканях. В клетках
фитохром, очевидно, связан с плазмалеммой и другими мембранами.
Фитохром участвует в регуляции многих сторон жизнедеятельности
растений: прорастании светочувствительных семян, открытии крючка и
удлинении гипокотиля проростков, развердк
rJ
Новый
синтез
Темновая реверсия
Рис. 130. Влияние красного (К).и дальнего красного (ДК) света на состояние
фитохрома и его физиологическую активность
тывании семядолей, дифференциации эпидермиса и устьиц,
дифференциации тканей и органов, ориентации в клетке хлоропластов,
синтезе антоциана и хлорофилла. Красный свет тормозит деление и
способствует удлинению клеток, растения вытягиваются, становятся
тонкостебельными (густой лес, загущенный посев). Вспомним, что на
красном свету в качестве первичных продуктов фотосинтеза
образуются преимущественно углеводы, а синем — аминокислоты (Н.
П. Воскресенская, 1965). Фитохром определяет фотопериодическую
реакцию растений, регулирует начало цветения, опадение листьев,
старение и переход в состояние покоя. В теплицах красный свет
способствует образованию корнеплодов у репы, утолщению
стеблеплодов кольраби. Фитохром участвует в регуляции метаболизма
фитогормонов в различных органах растения.
_ Влияние синего света на рост растений. Синий свет также
регулирует многие фотоморфогенетические и метаболические реакции
растений. Фоторецепторами синего света считаются флавины и
каротиноиды. Желтый пигмент рибофлавин, рецепти- рующий синий —
ближний ультрафиолетовый свет, который назвали криптохромом,
присутствует у всех растений. В ультрафиолетовой части спектра
(320—390 нм), вероятно, работает еще одна рецепторная система,
включающая производные пиразино-пиримидина, или птерины.
Рецепторы претерпевают редокс-превращения, быстро передавая
электроны другим акцепторам. Фототропизм растений определяется
рецепторным комплексом стеблевого апекса, включающего, повидимому, криптохром и каротиноиды. Рецепторы синего света
имеются в клетках всех тканей, локализованы в плазмалемме и в других
мембранах.
Синие и фиолетовые лучи стимулируют деление, но задерживают
растяжение клеток. По этой причине растения высокогорных
альпийских лугов обычно низкорослы, часто розеточны.
Синий свет вызывает фототропический изгиб проростка и других
осевых органов растений путем индукции латерального транспорта
ауксина. Растения при недостатке синего цвета в загущенных посевах и
посадках вытягиваются, полегают. Это явление имеет место в
загущенных посевах и посадках, в-теплицах, стекла которых
задерживают синие и сине-фиолетовые лучи. Дополнительное
освещение синим светом позволяет в теплицах получить высокий
урожай листьев салата, корнеплодов редиса. Синий свет влияет также
на многие другие процессы: угнетает прорастание семян, открывание
устьиц, движение цитоплазмы и хлоропластов, развитие листа и др.
Ультрафиолетовые лучи обычно задерживают рост, однако в
небольших дозах могут стимулировать его. Жесткий ультрафиолетовый
свет (короче 300 нм) обладает мутагенным и даже смертоностным
действием, что актуально в связи с утончением озонового слоя Земли.
Механизм действия фоторецепторов. Предложено несколько
гипотез механизма регуляторного действия света на растения.
Непосредственное
действие
на
генетический
аппарат.
Фоторецепторы при возбуждении их светом непосредственно
действуют на генетический аппарат растений, способствуя биосинтезу
необходимых белков. Так, в ядре и хлоропласте фитохром регулирует
синтез соответственно малой и большой субъединиц РБФкарбоксилазы. В ядерном геноме синий свет ускоряет экспрессию генов
комплекса фермента нит- ратредуктазы.
Регуляция уровня и активности фитогормонов. Принимая во
внимание, что фитогормоны являются одним из ближайших К
фитохрому звеном метаболической цепи, обеспечивающей рост и
морфогенез растения, предполагается следующая последовательность
элементов цепи: свет -> фитохром -> геном -> фитогормоны -» общие
звенья метаболизма —> рост и морфогенез. В большинстве случаев КС,
повышая в тканях уровень гиббереллинов и цитокининов, снижает
содержание ауксина и этилена. Это действие красного света снимает
ДКС. В листьях пшеницы и ячменя КС увеличивает уровень
гиббереллинов в результате их синтеза или выхода из этиопластов. ДКС
устраняет этот дефект КС.
Влияние на функциональную активность мембран. Основным
результатом действия красного света является регуляция функций
мембран (В. В. Полевой, 1991). Наиболее быстро под действием света
изменяются электрические характеристики мембран клеток и тканей
облучаемых органов растений, что, по-видимому, вызывает
определенный физиоло* гический эффект, в том числе новообразование
фитогормонов и активацию некоторых генов.
В опытах Т. Танада (1968) кратковременное облучение (30 с) КС
кончиков корней (5 мм) проростков ячменя и маша в растворе вызывало
«прилипание» отрезков корней к стеклянным стенкам сосуда,
заряженным отрицательно. В темноте отрезки корней опускались на
дно сосуда. В опыте облучение КС вызывало быстрое изменение заряда
клеток корневого чехлика на положительный, что приводило к
прилипанию отрезков. Изменение потенциалов под действием КС и
ДКС наблюдается и на поверхности этиолированных колеоптилей.
Изменение трансмембранного электрического потенциала и транспорта
ионов (Н+, К+, С1 ) обеспечивает работу клеток устьичного комплекса,
никтинастические движения листьев бобовых растений.
Красный свет способствует поступлению Са2+ в клетки, образованию комплекса кальмодулин-Са, участвующего в реакциях
фосфорилирования белков. Мембранные эффекты фитохрома,
изменения в структуре и функциях мембран, возможно, влияют на
содержание фитогормонов в тканях и экспрессию генома растения.
Синий свет, поглощаемый флавиновым компонентом редокс-цепей, в
клеточных мембранах оказывает влияние на многие метаболические
процессы, в том числе на ионные потоки и величину мембранного
потенциала.
Прямое влияние света на активность фермента. Оно проявляется
в том, что молекула пигмента, являющаяся частью фермента,
возбуждается квантом света, вызывая изменение конформации
белковой части фермента, а следовательно, и его активности. Так, синий
свет (460—475 нм) при очень коротких экспозициях (30 с) активирует в
процессе фотосинтеза включение 14СОг в аминокислоты, что, очевидно,
объясняется увеличением активности нитратредуктазы. Активность
нитратре- дуктазы при облучении тканей синим светом возрастает
сильнее, чем при действии красным светом.
Инициация процессов переноса электронов. Свет включает
фоторецепторы и инициирует процессы метаболического переноса
электронов в мембранах, тесно связанные с перемещением протонов.
Далее
образуются
соединения,
приводящие
к
конечному
физиологическому ответу — действию на рост и морфогенез растений
(А. А. Красновский, 1975). Электроны, образующиеся при окислении
субстрата, могут использоваться "в реакциях восстановления, в том
числе нитратов, а протоны подкисляют клеточную стенку или остаются
в клетке, вызывая деполяризацию МП.
7.10.2.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РОСТ РАСТЕНИЙ
Рост растений возможен в сравнительно широком диапазоне
температур и определяется географическим происхождением данного
вида. Требования растения к температуре меняются с возрастом,
различны у отдельных органов растения (листья, корни, плодоэлементы
и др.). Для роста большинства сельскохозяйственных растений России
нижняя температурная граница соответствует температуре замерзания
клеточного сока (около —1...—3 °C), а верхняя — коагуляции белков
протоплазмы (около 60 °C). Вспомним, что температура влияет на
биохимические процессы дыхания, фотосинтеза и других
метаболических систем растений, а графики зависимости роста
растений и активности ферментов от температуры близки по форме
(колоколообразная кривая).
Температурные оптимумы для роста. Для появления всходов
требуется более высокая температура, чем для прорастания семян (табл.
22).
22. Потребность семян полевых культур в биологически минимальных
температурах (по В. H. Степанову)
Культура
Температура, “С
прорастания семян |
ЮЯЕЛеНИЯ всходов
Горчица, конопля, рыжик
Рожь, пшеница, ячмень, овес, горох,
вика, чечевица, чина
0-1
1—2
2-3
4-5
Лен, гречиха, люпин, бобы, нут,
свекла, сафлор
Подсолнечник, перилла
Кукуруза, просо, соя
Фасоль, клещевина, сорго
Хлопчатник, рис, кунжут
3—4
5-6
5-6
8-10
10-12
12-14
7-8
10-11
12-13
14-15
При анализе роста растений выделяют три кардинальные температурные точки: минимальную (рост только начинается), оптимальную (наиболее благоприятная для роста) и максимальную
температуру (рост прекращается).
Различают растения теплолюбивые — с минимальными температурами для роста более 10 °C и оптимальными 30—35 °C (кукуруза,
огурец, дыня, тыква), холодостойкие — с минимальными
температурами для роста в пределах 0—5 °C и оптимальными 25—31
°C. Максимальные температуры для большинства растений 37—44 °C,
для южных 44—50 °C. При увеличении температуры на 10 °C в зоне
оптимальных значений скорость роста увеличивается в 2—3 раза.
Повышение температуры выше оптимальной замедляет рост и
сокращает его период. Оптимальная температура для роста корневых
систем ниже, чем для надземных органов. Оптимум для роста выше, чем
для фотосинтеза.
Можно предположить, что при высокой температуре имеет место
недостаток АТФ и НАДФ-Н, необходимых для восстановительных
процессов, что вызывает торможение роста. Температура, оптимальная
для роста, может быть неблагоприятной для развития растения.
Оптимум для роста меняется на протяжении вегетационного периода и
в течение суток, что объясняется закрепленной в геноме растений
потребностью к смене температур, имевшей место на исторической
родине растений. Многие растения интенсивнее растут в ночной период
суток.
Термопериодизм. Росту многих растений благоприятствует смена
температуры в течение суток: днем повышенная, а ночью пониженная.
Так, для растений томата оптимальная температура днем 26 °C, а ночью
17—19 °C. Это явление Ф. Вент (1957) назвал термопериодизмом.
Термопериодизм — реакция растений на периодическую смену
повышенных и пониженных температур, выражающаяся в изменении
процессов роста и развития (М. X. Чайлахян, 1982). Различают
суточный и сезонный термопериодизм. Для тропических растений
разница между дневными и ночными температурами составляет 3—6
°C, для растений умеренного пояса — 5—7 °C. Это важно учитывать
при выращивании растений в поле, теплицах и фитотронах,
районировании культур и сортов сельскохозяйственных растений.
Чередование высоких и низких температур служит регулятором
внутренних часов растений, как и фотопериодизм. Относительно
низкие ночные температуры повышают урожай картофеля (Ф. Вент,
1959), сахаристость корнеплодов сахарной свеклы, ускоряют рост
корневой системы и боковых побегов у растений томата (Н. И.
Якушкина, 1980). Низкие температуры, возможно, повышают
активность ферментов, осуществляющих гидролиз крахмала в листьях,
а образующиеся растворимые формы углеводов передвигаются в корни
и боковые побеги.
7.10.3.
ВЛИЯНИЕ НА РОСТ РАСТЕНИЙ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ
При недостатке воды торможение роста наступает раньше всех
других физиологических процессов и функций. Поэтому хорошее
водоснабжение является обязательным условием интенсивного роста и
продуктивности сельскохозяйственных растений. При длительном
недостатке воды у растений растяжение клеток заканчивается слишком
рано, формируется ксероморфная структура. Благоприятные для роста
условия складываются при влажности почвы 60—80 % НВ. При более
высокой влажности нарушается аэрация почвы, рост растений
угнетается. Влажный воздух стимулирует рост стебля, а сухой
ограничивает, даже при хорошем водосбнажении через корни. К
насыщенности водой очень чувствительны клетки апексов побегов и
корней. Если апексы побегов защищены смыкающимися листочками с
развитой кутикулой, то точки роста корня не имеют такой защиты.
Поэтому корни могут расти только в достаточно влажной почве, с
осмотическим давлением почвенного раствора, не превышающим 1,0—
1,5 МПа.
7.10.4.
ГАЗОВЫЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ (ВЛИЯНИЕ АЭРАЦИИ)
Содержание кислорода. Рост растений резко тормозится при
снижении в воздухе содержания кислорода до 5 % (объемных), а в
бескислородной среде прекращается. Причины этого в нарушении
энергетического баланса и увеличении в тканях растения содержания
продуктов анаэробного дыхания (спирт, молочная кислота и др.).
Избыточная концентрация кислорода также угнетает рост. Так, при
содержании кислорода выше 30 % (объемных) прорастание клубней
картофеля подавляется, а при 80 % ростки погибают через несколько
дней. Росту корней благоприятствует содержание кислорода в
почвенном воздухе 10—12 %, а минимальное содержание кислорода
для жизнедеятельности корней 3—5 %. При повышении температуры
почвы потребность корней в кислороде возрастает. При затоплении
почвы некоторое время рост корней продолжается благодаря
использованию кислорода нитратов, образованию воздухоносных
тканей и др. Семена некоторых растений прорастают под слоем воды.
Содержание СО2. Содержание СО2 в воздухе (0,03 %) недостаточно
для оптимального фотосинтеза, а следовательно, и роста. Однако
избыток СО2 в воздухе, снижая pH клеточных стенок, индуцирует
кратковременный рост тканей, что наряду с затенением может быть
причиной вытягивания нижних междоузлий хлебных злаков в
загущенных посевах и их полегания. При хранении плодов и овощей
высокая концентрация СО2 в газовой среде улучшает их лежкость, так
как ингибирует рост и другие физиологические процессы растений.
Корни растений в хорошо аэрированной почве длинные, светлоокрашенные, с многочисленными корневыми волосками. При
недостатке кислорода корни укорачиваются, утолщаются, темнеют,
корневых волосков образуется мало.
7.10.5.
МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ
Нормальный рост возможен лишь при достаточном сбалансированном снабжении растения необходимыми элементами минерального питания. Однако высокий уровень минерального (особенно
азотного) питания приводит к росту вегетативных органов в ущерб
генеративным, что полезно при возделывании многолетних трав на
корм и зеленных овощных культур, однако снижает урожай семян и их
качество.
7.10.6.
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ,
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ И ВОЗДУХА
Многие пестициды, используемые для борьбы с сорняками,
болезнями и вредителями сельскохозяйственных культур, первоначально угнетают рост защищаемых растений. Поэтому особое
значение имеет правильный выбор доз, способов и сроков внесения
препаратов. Растения очень чувствительны к промышленным выбросам
диоксида серы, образующимся при ее соединении с атмосферной влагой
сернистой и серной кислотам. Выпадая на землю, «кислотный» дождь
(pH 3,5 и ниже) вызывает хлороз, задерживает рост, часто приводит к
гибели посевов. Токсичны для растений фторид и другие вредные
выбросы.
Проникающая радиация радиоактивных излучений в зависимости от
дозы и радиочувствительности организма может не только тормозить,
но и стимулировать рост, вызывать необычные ростовые эффекты.
Стимуляция роста — результат усиления митотической активности (Н.
В. Тимофеев-Рессовский, 1970), угнетение роста — нарушения деления
клеток из-за разрывов хромосом и других поражений аппарата митоза.
7.10.7.
ЗАКОН МИНИМУМА И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ РОСТА
Изменение напряженности и взаимодействия абиотических и
биотических факторов среды во времени является основной причиной
суточной и сезонной неравномерности роста растений. Закон минимума
утверждает преимущественную зависимость роста от фактора среды,
находящегося в относительном минимуме. Фактор, находящийся в
минимуме, подавляет рост даже при самых благоприятных остальных
условиях. Как при минимальном, так и при максимальном напряжении
любого фактора среды рост подавляется. Максимальный рост растений
обеспечивается при оптимальном уровне всех факторов среды, их
взаимодействии. Действие любого фактора на рост можно выразить
одновершинной кривой.
7.11.
НЕОБРАТИМЫЕ НАРУШЕНИЯ РОСТА. КАРЛИКОВОСТЬ
И ГИГАНТИЗМ
Существуют растения одного и того же вида низкорослые
(карликовость), нормальные и высокорослые (гигантизм). Карликовость растения может быть обусловлена генетическими и
физиологическими причинами.
Генетические карлики. В природе карликовые растения встречаются
в большом количестве в тундре, высоко в горах. Известны генетические
карлики пшеницы, кукурузы, риса, гороха, фасоли, бобов, клевера
лугового и других растений с различным содержанием генов
карликовости. Генетическая карликовость одних растений, например
моногенных мутантов кукурузы и гороха, преодолевается обработкой
гиббереллином. Другие генетические карлики, например карликовые
формы
пшеницы,
слабо
чувствительны
или
совершенно
нечувствительны к действию гиббереллина.
Показано, что мутации, вызывающие карликовость растений,
приводят к изменению содержания гиббереллинов, увеличению
содержания АБК, изменяют соотношение конъюгированных и
свободных форм фитогормонов. Карликовость может быть связана с
нарушением гормонально-ингибиторного баланса растений. На основе
генетических карликов созданы высокоурожайные короткостебельные
и среднестебельные сорта многих сельскохозяйственных культур
(пшеницы, риса, кукурузы и др.), у которых значительная часть
продуктов фотосинтеза накапливается в соцветии. В промышленном
садоводстве распространение получает использование карликовых
яблонь при густых посадках (10 тыс. деревьев на 1 га) — «луговые
сады».
Физиологические карлики. Карликовые растения появляются в
условиях интенсивного освещения, избытка ультрафиолетового
облучения. В растениях накапливаются снижающие синтез
гиббереллинов фенольные ингибиторы. Из семян персика,
выдержанных при высоких температурах в первую неделю
прорастания, развиваются карликовые деревья, остающиеся таковыми в
течение более 10 лет (В. М. Поллок, 1962). Примечательно, что развитие
карликовости предотвращалось последующим действием низких
температур или обработкой прорастающих семян гиббереллином.
Сеянцы некоторых растений, выращенные из зародышей недозрелых
или нестратифицированных семян, также формируют карликовые
растения. Причиной карликовости могут быть и вирусные заболевания
(патологическая карликовость). Обработка гиббереллином часто
помогает ликвидировать карликовость.
В Японии традиционно выращивание в домашних условиях
карликовых деревьев — культура «бонсай». Взрослые древесные
растения (абрикос, ель, слива, клен, сосна, кедр) в небольших сосудах
имеют высоту 50—100 см. Эта карликовость обусловлена
ограниченными питанием, водообеспеченностью, малым объемом
сосудов.
Гигантизм. Повышение содержания гиббереллинов в нормальном
растении приводит к гигантизму. Так, при длительной обработке
верхушек стеблей капусты, табака и конопли каплями слабого раствора
гиббереллина можно получить гигантские растения (высотой до 6 м и
более). Травянистые и древесные растения-гиганты в природных
условиях и в посевах можно наблюдать в районах с высокой
вулканической активностью и интенсивного горообразования — на
Дальнем Востоке, Сахалине и Курильских островах, Камчатке, в
восточных районах Африки, на Гавайских островах, на Памире. На
Памире куст томата формирует до 11,5 кг плодов, картофеля —до 4 кг.
Стебли гречихи сахалинской на юге Сахалина достигают высоты 3—5
м, в Подмосковье это растение значительно мельче. Гигантизм не наследуется и обусловлен действием специфических региональных
факторов. Предполагают, что гигантизм связан с особенностями
микроклимата, режима грунтовых вод, условий освещения, комплексов
микроэлементов (прежде всего тория и бора).
7.12.
РИТМЫ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В природе все процессы ритмичны: смена дня и ночи, морские
приливы и отливы, смена времен года, сокращение сердечной мышцы у
животных, ритм дыхания и т. д. Исследованиями ботаников и
физиологов растений были обнаружены такие ритмы и у растений. В
процессе эволюционного приспособления к закономерным изменениям
внешней среды во времени у растений развилась способность очень
точно измерять время и согласовывать с его ходом скорость и
направление важнейших физиологических процессов. Огромный
экспериментальный материал ученых-биологов показывает, что все
организмы, в том числе и растения, живут по «солнечным часам». Они
могут приурочить каждый свой физиологический процесс и
жизнедеятельность в целом к оптимальным для них условиям среды.
Первым в мировой литературе высказал это положение по отношению
к растениям молодой российский ботаник В. М. Катунский (1939).
Биологами и физиологами растений выявлено, что растения
обладают временной «памятью» на смену дня и ночи. Процесс
выделения нектара, образование пыльцы характеризуйтря суточной
периодичностью. Раскрывание цветка часто регулируется сменой света
и темноты. Многократно отмечалось, что цветки начинают
раскрываться незадолго до рассвета, а закрываться перед закатом
солнца. Листья многих растений днем обычно расположены
горизонтально, а ночью — вертикально. Особенно четко это видно на
фасоли. Фасоль стала классическим объектом при изучении
ритмичности физиологических процессов. Листья фасоли, как и
лепестки цветков, начинают подниматься до наступления светлого
периода, а складываться — до наступления темноты. Причем эти
движения сохранялись и при выращивании растений в стабильных
условиях среды: непрерывный свет или постоянная темнота и др. По
расположению листьев можно было определить биологическое время.
Только один световой период давал растениям толчок для движения
листьев, которое
не прерывалось в течение нескольких дней при дальнейшей
постоянной темноте, при этом
изменялась только амплитуда О 24
48
72
96
720 /И
Часы
колебаний
(рис.
131).
Сохранялись эти ритмы и при Рис. 131. Возникновение циркадных
изменении соотношения света и движений листьев фасоли в непрерывной
темноты — 8:8, 12:12, 14:14, темноте под действием однократного 12непрерывном освещении (Е. Е. часового освещения красным светом (по
(Темновые
периоды
Крастина, 1956). Механическое Лархеру)
заштрихованы.)
закрепление листа фасоли не
изменяло ритмов
движения листьев после его освобождения, ритм тут же восстанавливался. Температура, один из важнейших факторов роста и
развития растений, также не оказывала существенного влияния на ритм
движения листьев. При температуре 15, 20, 25 и 30 °C движение листьев
сохранялось, лишь немного отклоняясь в сторону увеличения или
уменьшения периодов. В среднем ритмы эти были с периодом около 24
ч, т. е. около суток, поэтому и названы циркадными или
околосуточными (лат. «цирка» — около, «диес» — день).
Незначительные отклонения от этого периода определяются видом
растения и условиями произрастания. В среднем циркадные ритмы у
различных видов растений составляют от 22 до 28 ч.
Хронометрическую систему, контролирующую ход циркадных
ритмов, называют физиологическими или биологическими часами.
Независимость ритмов от факторов внешней среды дала
возможность предположить, что они обусловлены внутренними
причинами и поэтому названы эндогенными. Специфическая для
каждого живого организма длительность периода передается по
наследству и сохраняется на протяжении многих поколений.
Один световой период дает начало ритмам, смена дня и ночи при
выращивании
растений
поддерживает
циркадные
ритмы,
следовательно, они осуществляют подзарядку «часового механизма» у
растений.
Выяснено, что хотя температура и не оказывает существенного
влияния на циркадные ритмы, однако резкое ее повышение или
понижение (высокая или низкая температура) вызывают у растений
изменение периода. При отрицательных температурах период ритма
сначала увеличивался примерно до 33 ч, а затем постепенно
выравнивался. У растений чередование повышенной и пониженной
температур регулирует ритм таким образом, что фазе низкой
температуры соответствует физиологическое состояние, наблюдаемое
обычно в темновой период, а высокой — в световой период. Это дало
возможность предположить, что при отрицательных температурах у
растений наблюдается компенсационный эффект, который проявляется
спустя определенный промежуток времени. Температура оказывает
влияние прежде всего на мембраны и на связанные с ними
физиологические процессы, в том числе на циркадные ритмы.
Аналогичные результаты получены при действии на растения ядов
и других химических веществ. Исследования показали, что при
действии химических веществ длительность циклов сначала
увеличивается, а потом уменьшается, наблюдается смещение фаз.
Сильные яды действуют на циркадные ритмы только тогда, когда они
причиняют вред самим растениям. При этом подавляется фаза зарядки
биологических часов, а фаза разрядки остается неизменной. И здесь
изменения связывают с нарушением структур мембран.
Дальнейшие исследования физиологов растений показали, что
циркадные ритмы сказываются не только на движении листьев.
Движение листьев фасоли подтвердило периодичность циркадного
ритма колебания тургора в подушечках черенков фасоли. Э.
Бюннингом, основоположником учения о ритмах физиологических
процессов, выявлен ритм выделения СО2 и поглощения О2 растениями
при дыхании и фотосинтезе. А. А. Рихтером и другими доказана
эндогенность циркадных ритмов активности ферментов (амилазы,
каталазы и др.). Работами Е. Е. Крастиной и А. Е. Петрова-Спиридонова
(1959) была подтверждена ритмичность поглощения и выделения
корнями элементов минерального питания, «плача» растений.
Была также обнаружена ритмичность гуттации, термопериодизма.
Физиологическими часами регулируются объемы клеточного ядра,
формирование хлоропластов, ритмы тургора и роста клеток в культуре
тканей.
Немалый интерес представляет локализация биологических часов в
клетках растений. Установлено, что ни ядро, ни цитоплазма, ни
пластиды не имеют отношения к регуляции работы биологических
часов. Большинство ученых считает, что механизмы биологических
часов «вмонтированы» в мембранах, а точнее, в плазмалемме. О
правильности такого заключения говорит тот факт, что периодические
изменения мембран под действием температуры, химических веществ и
других агентов, о чем упоминалось, являются частью «часового
механизма». Внешние воздействия на плазмалемму изменяют
структуру белков и липидов, входящих в ее состав. У устойчивых к
раздражителям мембран в липидах присутствуют ненасыщенные и
более короткие остатки жирных кислот, что определяет их текучесть.
Изменения степени насыщенности липидов мембран отмечены на
протяжении каждого суточного ритма и составляют часть
биологических часов.
Ученые также предположили наличие в мембранах пигмента,
способного воспринимать действие света и тем самым включать или
выключать биологические часы у растений. Это подтверждал и тот
факт, что на циркадные ритмы оказывают влияние не только длина
светового периода, но и качество падающего света. Оказалось, что
красный свет включает биологические часы, а дальний красный —
отключает их. Такой пигмент в плазмалемме был обнаружен и назван
фитохромом.
Чередование света и темноты может вызвать сдвиг фаз или служить
указателем времени для ритмов. У растений важнейшей функцией
физиологических часов является, вероятно, регистрация длины дня,
чтобы при определенной длине дня перейти к цветению или покою.
7.13.
ДВИЖЕНИЕ РАСТЕНИЙ
Растения в отличие от животных прикреплены к месту своего
обитания и не могут перемещаться. Однако и для них характерно
движение. Движение растений — это изменение положения органов
растений в пространстве, обусловленное разными факторами внешней
среды: светом, температурой, силой тяжести, химическими элементами
и др.
Движения растений относятся к быстротекущим процессам. В
основе движений лежит раздражимость растений. Движения могут
иметь и эндогенный характер.
Для цветкового растения свойственно главным образом движение
органов путем изгиба, скручивания, откидывания и т. д., т. е. движение
органов, неподвижно прикрепленных к субстрату. Среди этих
движений есть движения, связанные с изменением тургора в отдельных
клетках и тканях, а также с изменением скорости роста различных
сторон, частей и органов растений. К первым относятся «сон» растений,
обусловленный движением листьев или лепестков, сейсмонастия и
другие явления. Ко вторым относятся тропизмы и настии.
Тропизмы — это ростовые движения, вызываемые односторонним
действующим раздражителем (свет, сила тяжести, химические
элементы и др.). Изгибание растений в сторону действующего фактора
(раздражителя) называют положительным тропизмом, а в
противоположную от действующего фактора сторону — отрицательным.
В зависимости от природы раздражителя, вызывающего изгиб,
каждый конкретный тропизм получил соответствующее название. Если
изгиб вызван действием света — фототропизм, силой тяжести —
геотропизм, неравномерным распределением воды в почве —
гидротропизм, химических соединений (удобрений) — хемотропизм,
кислорода — аэротропизм и т. д.
Наиболее детально исследован механизм фото- и геотропизма.
7.13.1.
ФОТОТРОПИЗМ
Среди факторов, вызывающих проявление тропизмов, свет был
первым, на действие которого человек обратил внимание.
Многолетними исследованиями выяснено, что к органам растений,
отклоняющимся в сторону источника света (положительный
фототропизм), относятся молодые побеги и листья. Свет не оказывает
влияния на направление роста корней. Отрицательно фототропны
зародышевые корешки растений, усики, гипокотиль и другие части
растений.
Во время развития растений фототропизм его органов может
изменяться. Например, до оплодотворения цветоножки некоторых
растений проявляют положительный фототропизм, а после
оплодотворения — отрицательный. Изменение положительного
фототропизма на отрицательный у одних и тех же органов может быть
вызвано и интенсивностью освещенности. При относительно слабой
освещенности отмечается положительный, а при сильной —
отрицательный фототропизм.
Благодаря изгибаниям, обусловленным фототропизмом, органы
растений занимают наиболее выгодное положение. В результате
изгибания стеблей возникает листовая мозаика, которая способствует
оптимальному использованию света при фотосинтезе (рис. 132).
Способность растений располагать пластинки листьев перпендикулярно падающим лучам называют диафототропизмом, а расположение листьев под острым или тупым углом — плагиотропизмом.
Листовая мозаика особенно отчетливо видна у тенелюбивых растений.
Рис. 132. Листовая мозаика как результат фототропизма (слева растение, подверженное
фототропизму)
Рис. 133. Схема движения ауксина при освещении колеоптиля со всех сторон и при
одностороннем освещении в направлении, указанном стрелками (Р. Вайнар, 1987):
А — освещение колеоптиля со всех сторон; Б — одностороннее освещение; В — изгиб колеоптиля; Г,
Д— изгиба колеоптиля не наблюдается; о — равномерное распределение ауксина в колеоптиле; б —
перераспределение ауксинов в неосвещенную сторону; в — поперечный поток ауксина прерывается
Как же осуществляются фототропные движения?
Родоначальником учения о фототропизме считают Ч. Дарвина. Он
выяснил, что световое раздражение воспринимается верхушкой,
ответная реакция (изгиб) возникает в зоне растяжения, лежащей ниже.
Следовательно, клетки, воспринимающие световое раздражение
(рецептор), и клетки, отвечающие на это раздражение, пространственно
разобщены. Это дало ему возможность предположить существование
веществ, которые синтезируются в одном месте, а передвигаются в
другое (типа гормонов у животных).
В 1928 г. физиологи Н. Г. Холодный и Ф. В. Вент независимо друг
от друга сформулировали гормональную теорию фототропизма,
которая пользуется всеобщим признанием. В ее основе лежит
представление о фототропизме как о процессе, стимулирующем
перераспределение гормонов в верхушке побега. Одностороннее
освещение вызывает электрическую поляризацию тканей верхушки:
освещенная сторона получает отрицательный заряд, а затененная —
положительный. Под влиянием этой поляризации ток гормона
смещается на затененную сторону, клетки этой стороны растягиваются
сильнее, чем освещенной, в результате получается изгиб в сторону
света.
Выяснено, что гормонами, вызывающими рост клеток при
фототропической реакции, являются ауксины или 0-индолилук- сусная
кислота. На рисунке 133 показана схема движения ауксина на
колеоптиле овса при действии света. Из рисунка видно, что при
освещении колеоптилей со всех сторон (А) поток ауксинов распределен
равномерно по всему колеоптилю (а) и при этом изгиб у растений не
наблюдается. При одностороннем действии света на колеоптиль (Ь)
происходит поперечное перераспределение ауксинов в неосвещенную
сторону (б), что и приводит к изгибу колеоптиля (В). В случае, когда
поперечный поток ауксина прерывается (Г, в), при действии
одностороннего света изгиб не наблюдается (Д).
Неравномерное распределение ауксина оказывается очень важным,
но не единственным следствием поперечной поляризации. Возникают
также физико-химические различия, связанные с физиологией обмена
веществ, в частности с изменением содержания сахара и концентрации
ионов водорода в клетках освещенной стороны. Химическая природа
других веществ пока еще неизвестна. В развитие теории Холодного—
Вента по данным последних исследований следует признать и роль
ингибиторов, их соотношение и баланс с ауксином, что принято во всех
процессах, в основе которых лежит рост растений (М. X. Чай- лахян, О.
Н. Кулаева, 1967).
Исследования показали, что спектр действия фототропизма
определяется и качеством света. Фототропизм лучше проявляется в
ультрафиолетовой области и в синей части спектра. У семенных
растений фототропическая реакция вызывается коротковолновыми
лучами. Фототропическая реакция зависит и от интенсивности
освещения: чем слабее свет, тем дольше нужно освещать растения для
получения фототропического эффекта. Произведение силы света на
продолжительность его воздействия является величиной постоянной.
Эта зависимость получила название закона количества раздражения.
Фототропическая чувствительность может не проявиться, если
освещать растения сразу сильным светом после их проращивания в
темноте. Такое же действие оказывают хлороформ и эфир.
В фототропической реакции свет выступает как раздражитель,
необходимый лишь для запуска различных физиологических
процессов; при этом расходуется малое количество энергии. Для
ростовых процессов требуется много энергии.
7.13.2.
ГЕОТРОПИЗМ
Наряду со светом на растения оказывает влияние сила тяжести,
определяющая положение растений в пространстве. Присущую всем
растениям способность воспринимать земное притяжение и реагировать
на него называют геотропизмом. Таким образом, геотропизм
представляет собой ответную реакцию на ускорение силы тяжести.
Положительным геотропизмом обладают корни или их части, при этом
отмечается рост к центру Земли. Отрицательным геотропизмом
обладают надземные органы, их рост направлен от центра Земли. Уже
при прорастании семени, которое происходит в темноте, т. е. вне
влияния света, и независимо от положения самого семени наблюдается
изгиб зародышевого корешка вниз, а проростков — вверх. Прибитые к
земле дождем растения или полегшие хлеба могут снова подняться за
счет геотропической реакции растений. У некоторых растений, которые
способны образовывать воздушные корни, можно наблюдать и
отрицательный геотропизм, если они находятся в сильно увлажненной
среде.
Геотропическая реакция так же, как и фототропическая, изменяется
в процессе онтогенеза. Цветки некоторых растений до распускания
обладают отрицательным геотропизмом, а после распускания он
изменяется на положительный. Геотропизм у боковых стеблей и корней
выражен меньше, чем у главных. В результате главный побег растет
строго вертикально вверх, главный корень — вертикально вниз, а
боковые побеги и корни располагаются под некоторым углом к ним. Это
помогает растению поглощать воду и минеральные удобрения из почвы,
а надземным частям растений — поглощать СО2 из воздуха и избегать
затенения друг друга.
Первые доказательства того, что раздражителем при геотропизме
является направление силы тяжести, были получены в начале XIX в. Т.
А. Найтом, затем это учение развили Ч. Дарвин (1887), Г. Габерландт и
Б. Немец (1900), Ф. В. Вент и Н. Г. Холодный (1928).
Для осуществления геотропической реакции требуется определенное количество раздражения, причем неважно, будет ли это
сильное раздражение в течение короткого времени или слабое в течение
длительного времени. Здесь, как и в фототропизме, действует закон
количества раздражителя.
Для объяснения механизма геотропизма следует обратиться еще раз
к гормональной теории Холодного—Вента, согласно которой при
вертикальном положении проростка ток гормонов распределяется
равномерно, результатом чего является равномерный рост. При
горизонтальном положении проростка гормон концентрируется на
нижней стороне органа. При этом у стебля рост клеток на нижней
стороне ускоряется, и стебель изгибается вверх, а у корня —
тормозится, и он изгибается вниз. Клетки корня обладают большей
чувствительностью, чем клетки стебля, поэтому одна и та же
концентрация гормона на нижней стороне может подавить рост клеток
корня и стимулировать растяжение клеток стебля. В результате два
органа проявляют разную геотро- пическую реакцию.
Если при фототропизме рецепторами у колеоптилей овса являются
флавопротеиды, то у корней органом, воспринимающим раздражение,
служит корневой чехлик. Подтверждение этого было получено, когда
после удаления корневого чехлика растение утратило способность к
геотропизму. После регенерации корневого чехлика геотропическая
реакция восстановилась.
Восприятие силы тяжести может происходить только в результате
перемещения имеющих массу частиц. Такую функцию у растений
могут выполнять статолиты. Чешский ботаник Б. Немец и
Рис. 134. Размещение статолитного крахмала в клетках корневого чехлика (4) (по Б.
Немецу) и схема размещения крахмальных зерен и блестящих телец в качестве статолитов:
а — нормальное положение; б — горизонтальное положение корня; черные кружки — статолиты;
окружности — пузырьки Гольджи
немецкий физиолог Г. Габерландт независимо друг от друга в 1900 г.
указали на лейкопласты и на образующиеся в них крахмальные зерна
как на структуры, воспринимающие силу тяжести. Такие крахмальные
зерна встречаются в клетках корневого чехлика и в эндосперме —
клетках первичной коры стеблей растений. В клетках корневого
чехлика особенно жидкая цитоплазма, поэтому при изменении
положения корня крахмальные зерна сейчас же в силу своей тяжести
передвигаются и занимают всегда самую нижнюю часть клетки,
оказывая давление на цитоплазму, которая возбуждается.
Если из лейкопластов удалить крахмал, то способность к геотропным реакциям утрачивается. Следовательно, крахмал лейкопластов
играет решающую роль при выполнении ими функции статолитов.
В настоящее время предполагают, что у высших растений
возможность воздействия статолитного крахмала осуществляется через
давление на плазмалитические структуры, которые и вызывают
возбуждение. Кроме крахмальных зерен статолитами, невидимому,
могут служить в клетках корня кристаллы белка, хлоропласты,
митохондрии и другие структуры (рис. 134). В результате восприятия
растением земного притяжения клеток за счет статолитов наблюдается
поперечная поляризация, которая проявляется в первую очередь в
неравномерном распределении ауксина. Это вызывает усиление роста
клеток и активное передвижение веществ.
В геотропической реакции, как и в фототропизме, различают четыре
основные фазы: восприятие раздражения; возбуждение клеток,
приводящее к накоплению гормонов; проведение возбуждения;
неравномерный рост органа.
Геотропический изгиб как ростовое движение свойствен молодым
частям растений; у взрослых частей, закончивших свой рост, он
наблюдается очень редко. Геотропическая чувствительность может
меняться под влиянием факторов внешней среды. Так, полегшие
растения не могут подняться, если почва сильно переувлажнена и корни
находятся в анаэробных условиях. При неблагоприятных условиях
среды (засуха, низкая или высокая температура, действие некоторых
химических веществ) крахмальные зерна исчезают и геотропическая
чувствительность не проявляется.
7.13.3.
ДРУГИЕ ВИДЫ ТРОПИЗМОВ
Хемотропизм — это изгибы корней при неравномерном распределении в почве какого-нибудь химического вещества. Хемотропизм кроме корней свойствен пыльцевым трубкам, проросткам
растений-паразитов. И здесь наблюдается положительный и
отрицательный хемотропизм, который может изменяться в зависимости
от концентрации и характера веществ. У корней хемо- тропен самый
кончик корня, а изгиб находится в зоне растяжения. Механизм
хемотропизма неизвестен.
Благодаря хемотропизму растение способно усваивать удобрения,
избегать их избыточного накопления. Это связано с движением корня
(ростом) в направлении имеющихся удобрений или при избытке их —
от удобрений.
Гидротропизм — разновидность хемотропизма. При этом виде
тропизма наблюдается изгибание растущих частей растений под
влиянием воды. Гидрочувствительность также располагается на самом
кончике корня.
Кроме перечисленных тропизмов существует еще несколько видов:
аэротропизмы,
тигмотропизмы
(ответ
на
прикосновение),
термотропизмы, электрбтропизмы, травматропизмы.
7.13.4.
НАСТИИ
Как и тропизмы, настии представляют собой изменения положения
органов
прикрепленных
растений,
вызванные
внешними
раздражителями. Но в отличие от тропизмов при их проявлении нет
никакой зависимости направления движения от направления действия
раздражителя. Это движения, которые возникают в ответ на действия
диффузных факторов. Такими факторами могут быть изменения
температуры, интенсивности света, влажности воздуха и т. д.,
действующие на растение со всех сторон.
Органы, способные к совершению настических ответных реакций,
всегда обнаруживают физиологическую, а в большинстве случаев и
морфологическую двустороннюю симметрию. Насти- ческие
изменения положения органов приурочены к определенным их
участкам, имеющим соответствующее этому анатомическое строение.
Названия настий, как и тропизмов, зависят от тех раздражителей,
которые их вызывают. Так, различают фото-, термо-, хемо-, гидро-,
тигмо-, сейсмо-, электро- и травманастии.
Если тропизмы осуществляются преимущественно как ростовые
движения, то настии проявляются в первую очередь благодаря
изменениям тургорного давления.
Наиболее распространены никтинастические движения, т. е.
вызываемые сменой дня и ночи. Очень многие цветки открываются
утром, а закрываются на ночь. Раздражителем в данном случае является
изменение только температуры или только интенсивности света.
Никтинастические движения облегчают опыление цветков в
благоприятную погоду и защищают внутренние органы цветка от
неблагоприятных факторов среды. Заблаговременное закрывание
цветков перед грозой — подтверждение наличия таких движений.
Точно так же листья многих растений, в особенности бобовых, меняют
свое положение при смене дня и ночи. У фасоли в листе сочленения
пластинок и черешков (в подушечках) возникают движения, которые
приводят к смене дневного (горизонтального) положения листовой
пластинки на ночное (вертикальное), а потом к возвращению в исходное
состояние. Такое явление получило название «сон растений». Эта
способность у растений закреплена наследственно.
Движения, происходящие в ответ на толчки, сотрясения, испытываемые растениями, получили название сейсмонастических. Они
могут вызываться ветром, дождем или прикосновением. Такие
настические движения можно наблюдать в цветках растений из
семейства сложноцветных, у которых тычиночные нити быстро
сокращаются в ответ на прикосновения, что вызывает опускание
трубки, окружающей пестик и состоящей из сросшихся между собой
пыльников.
Из сейсмонастий наиболее известно быстрое складывание
листочков мимозы при прикосновении. Это связано с особенностями
строения ее листьев, наличием моторных клеток, которые, изменяя
тургор, дают движение черешкам и листовым пластинам. Такие же
моторные клетки есть и у других растений.
В отличие от сейсмонастических изменений положения органов
растений, при которых раздражающе действуют сотрясение или удары,
при проявлении тигмонастических движений раздражение вызывается
прикосновением. Наиболее заметные тигмо- настические движения
обнаружены у растений, имеющих усики и поэтому способных
охватывать опору. Такие движения отмечают у гороха. Самой высокой
раздражимостью обладает, как правило, верхняя треть усиков, наиболее
восприимчивая к раздражению соприкосновением. В основе движения
усиков лежат как колебания тургорного давления, так и процессы роста.
Изгиб происходит лишь в случае, если клетки-рецепторы прикоснутся
к опоре.
Механизм настий до конца не изучен. Предполагают, что они
обусловлены в некоторых случаях (открывание цветков) неравномерным ростом разных сторон органа. Если при этом более быстрый
рост наблюдается на морфологически верхней части органа, то говорят
об эпинастии, если на нижней — о- гипонастии. Неравномерный рост,
вероятно, обусловлен гормонами.
Особую группу составляют движения улавливания и захватывания,
присущие насекомоядным растениям. Сравнительное изучение
показало, что механизмы функционирования ловушки у мухоловки и
росянки имеют сходство: обладают быстрыми на- стическими и более
медленными тропическими движениями. Вместе с тем эти растения
отличаются друг от друга участком, на который распространяется
потенциал действия. Повторяющиеся потенциалы действия вызывают
секреторную деятельность пищеварительных желез. Эти движения
можно определить как механическую реакцию, вызванную
потенциалом действия в моторных клетках, для которых характерна
реакция сцепления: возбуждение —> тургор -> спад.
Кроме перечисленных движений (настии, тропизмы) существуют
таксисы. Таксисы — направленные движения всего организма,
обусловленные односторонним влиянием внешних раздражителей:
силы тяжести, света, химического воздействия и др. Таксисы
свойственны только низшим растениям и не связаны с ростом.
7.14.
РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ
Физиологов всегда интересовали вопросы развития растений (Г.
Клебс, К. А. Тимирязев, Ю. Сакс, Ф. Вент, Н. Г. Холодный, М. X.
Чайлахян, Д. А. Сабинин, В. Г. Конарев, И. В. Мичурин и др.). В
процессе эволюции растения приспособили свое индивидуальное
развитие к условиям региона, к конкретной экологической нише.
Растения «ориентируются» во времени, ускоряя или замедляя свое
развитие в соответствии с меняющимися длиной дня, качеством и
количеством света, температурой, и своевременно переходят к
репродукции или в состояние покоя. В отдельные моменты онтогенеза
может происходить развитие, не сопровождающееся видимым ростом,
и наоборот, в другое время ростовые процессы не сопровождаются
качественными изменениями.
7.14.1.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ, ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ
ПРИЗНАКИ ОБЩИХ ВОЗРАСТНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ У РАСТЕНИЙ
В индивидуальном развитии высших растений (онтогенезе) М. X.
Чайлахян (1983) выделяет пять этапов: эмбриональный (семенной или
почковый); ювенильный, или молодости; зрелости (половой или
вегетативной); размножения — плодоношения (полового или
вегетативного) и старости. Каждый этап имеет специфические
морфологические признаки, физиологические и биохимические
свойства, которые тесно связаны друг с другом и находятся в
постоянном взаимодействии. Основным критерием начала очередных
этапов принимают возникновение характерных зачаточных структур.
Эмбриональный этап у семенных растений проходит в семенах — от
оплодотворения яйцеклетки до начала прорастания зародыша, у
вегетативно размножающихся растений — в почках органов
вегетативного размножения (клубнях, луковицах и корневищах). Этап
молодости (ювенильный) начинается с прорастания почек и
продолжается до появления на растении первичных зачатков цветков.
Этап зрелости у семенных растений проходит в период от закладки
зачатков цветков до появления новых зародышей; у вегетативно
размножающихся растений он начинается с появления зачатков органов
вегетативного размножения на молодых растениях. Этап размножения
(плодоношения) полового или вегетативного проходит от
возникновения эмбрионов до полного созревания семян и плодов, он
совершается у однолетников однократно, а у многолетних —
поликарпических растений (плодовые, ягодники, многолетние травы)
— многократно. Этап старости — это период от полного прекращения
плодоношения до отмирания растения.
Прохождение этапов онтогенеза растением сопровождается
взаимодействием между его клетками, тканями и органами. В этом
проявляется целостность растительного организма. Новообразованию
элементов структуры растительного организма предшествуют
необходимые физиологические и биохимические процессы.
В эмбриогенезе злаковых растений выделяют три фазы: налив зерна
(в основном формируется эндосперм); молочная спелость
(преимущественно развивается зародыш); восковая и полная спелость
(интенсивное отложение запасных веществ и быстрое снижение
содержания воды). После оплодотворения в зиготе возрастает синтез
РНК, идет усиленное деление клеток зародыша и эндосперма.
Необходимые для развития эндосперма ИУК и цитокинины
первоначально поступают из нуцеллуса и плаценты.
Развитие зародыша семени зависит от фитогормонов (ГК и ЦК),
поступающих из эндосперма. Затем зародыш сам начинает
синтезировать фитогормоны; ауксин поступает в окружающие ткани. В
результате усиливается приток питательных веществ и воды в семена и
плоды из ассимилирующих органов материнского растения. Затем
влажность семян снижается и они переходят в состояние покоя. Покой
связан с уменьшением содержания активных ауксинов, цитокининов и
гиббереллинов, а также с увеличением содержания АБК. В покоящихся
семенах, клубнях картофеля и корнеплодах свеклы происходят
физиолого-биохимические
процессы,
обеспечивающие
их
послеуборочное дозревание. В этот период у озимых растений (рожь,
пшеница, ячмень) и двулетников (морковь, свекла, капуста)
формируется свойство озимости.
Этап молодости (ювенильный). Ювенильный этап начинается с
прорастания семян или почек органов вегетативного размножения.
Прорастанию способствуют благоприятное сочетание влажности,
температуры и аэрации среды; снижение в семенах содержания АБК и
фенольных соединений в результате ферментативного окисления и
вымывания во влажной среде; нарушение целостности семенной
оболочки и повышение проницаемости для воды и кислорода в
результате гидратации составляющих ее биополимеров; условия
полной темноты либо кратковременного освещения (салат, табак и др.).
В прорастании семян выделяют следующие фазы: набухание,
проклевывание, гетеротрофный рост проростка, переход к автотрофному питанию. Набухание семян — результат физического
поглощения воды биоколлоидами. Под действием возникшего при
набухании давления семенные покровы разрываются. Набухание
практически не зависит от температуры, содержания кислорода и
освещения. Проклевывание происходит при 40—65%-ной влажности
семян (у бобовых выше) за счет растяжения клеток зародышевого корня
и гипокотиля. За зародышевым корнем начинается рост побега.
Направление его роста в почве определяется прежде всего гравитацией.
Гетеротрофный рост проростка. Побег удлиняется благодаря
растяжению гипокотиля (бобы, тыква и др.) или мезокотиля (злаки)
проростка. Продолжается рост зародышевого корня. У злаков в первый
период прорастания семян ИУК и цитокинины поступают в зародыш из
эндосперма, гиббереллин переходит из конъюгированного состояния и
начинается его синтез в щитке.
В активированных гиббереллином клетках щитка и алейронового
слоя начинается гидролиз сложных запасных веществ эндосперма,
обеспечивающий питание растущего зародыша и проростка. Гидролиз
белков до аминокислот катализируют пептидазы и папаиназы. Крахмал
расщепляется амилазами до мальтозы, а затем мальтазами до глюкозы.
Липиды гидролизуются липазами до глицерина и жирных кислот. Затем
растущий зародышевый корень начинает синтезировать цитокинины и
гиббереллины, которые направляются в побег. В верхушке колеоптиля
у злаков и почечке у двудольных синтезируется ИУК. Для синтеза
нуклеиновых кислот вначале используются резервные нуклеотиды
семени, затем их синтез начинается заново.
Переход
к
автотрофному
питанию.
При
достижении
этиолированным побегом поверхности почвы рост гипокотиля или
мезокотиля проростка подавляется, усиливается рост эпикотиля и
листьев. Растение зеленеет и переходит к автотрофному
(фототрофному) питанию. Начинается интенсивный рост растения, и к
концу ювенильного этапа накапливается значительная вегетативная
масса.
Особенности ювенильного состояния растений. В ювенильный
период растения характеризуются рядом особенностей.
1. Ювенильное растение не обладает чувствительностью к
факторам и условиям, индуцирующим позднее закладку органов
полового или вегетативного размножения, стимулирующим переход к
цветению. Возможная причина этого — отсутствие в органах-мишенях,
воспринимающих гормоны, белков-рецепторов, участвующих в
индукции генеративного развития (В. В. Полевой, 1989).
2. Ювенильное растение образует хорошую корневую систему, что
используется в практике садоводства при укоренении ювенильных, с
высоким содержанием ауксинов, черенков.
3. Хорошим признаком ювенильности растений являются особенности морфологии листьев (хлопчатник, огурец и др.), слабая
дифференциация конуса нарастания верхушечной почки (I—IV этапы
органогенеза).
4. Ювенильное состояние поддерживается специфическим соотношением фитогормонов.
5. В ювенильный период растение достигает значительных размеров и массы, что позволяет ему конкурировать в фитоценозе.
В конце ювенильного периода у растений появляется чувствительность к условиям, вызывающим заложение цветков.
В ювенильной фазе озимые и двулетние растения проходят
яровизацию пониженными температурами. У озимых однолетних
растений чувствительность к яровизации достигается уже при
прорастании семян. Большинство двулетних и многолетних растений,
нуждающихся в яровизации, не реагируют на пониженные температуры
во время прорастания семян. Исключение составляют морковь, свекла,
турнепс и др. В последующем чувствительность растений к яровизации
увеличивается. В умеренной зоне двулетний характер развития многих
растений, требующих для репродукции воздействия низких температур,
объясняется незавершенностью ювенильной фазы, которая не
позволяет растениям воспринимать яровизацию во время холодных
дней и ночей первой весны (первого года жизни).
Ранние
признаки
скороспелости.
У
разных
видов
сельскохозяйственных растений ювенильный период продолжается от
нескольких недель (однолетние травы) до нескольких лет (плодовые
деревья). Чем короче ювенильный период (до закладки зачатков
цветков), тем скороспелее растение. У травянистых растений
длительность ювенильного периода соответствует числу листьев,
образующихся до первого цветка или соцветия. Чем меньше апикальная
меристема формирует листовых узлов (листьев), тем короче
ювенильный период и скороспелее растение.
Факторы, обусловливающие ювенильное состояние. Неспособность
молодых растений зацветать даже при благоприятных внешних
условиях, продолжительность ювенильного периода обусловлены
рядом обстоятельств. Задержка репродуктивного развития характерна
для растений, достигающих крупных размеров. Световые условия,
высокая освещенность или длинный день в начальный период роста,
способствующие интенсивному фотосинтезу, сокращают у многих
растений ювенильный период. Поэтому необходим определенный
уровень снабжения ассимилятами растения для достижения им
цветочно-спелого состояния. У некоторых видов растений заложение
цветков происходит при достижении необходимого соотношения
площадей поверхности молодых и взрослых листьев. Так, удаление
молодых, растущих листьев у растений сои и томата ускоряет
образование цветков. Возможно, что молодые листья продуцируют
ингибиторы цветения, сдерживают транспорт к меристемам
фотоассимиля- тов и стимулам цветения из нижних взрослых листьев.
Одна из причин ювенильности — нечувствительность первых листьев у
некоторых фотопериодически чувствительных растений к благоприятной длине дня. Однако имеются растения, зацветающие уже в фазе
проростков. Влияние на ювенильность корневой системы наблюдается
у сеянцев яблони и других древесных; у некоторых растений частичное
удаление корней сокращает ювенильный период. Ювенильное
состояние растений, очевидно, связано и с неспособностью
ювенильных меристем реагировать на действие гормонов цветения,
образующихся в листьях.
Агроному следует помнить, что наиболее благоприятные условия
для протекания этапа молодости с характерным для него мощным
ростом растений — оптимальные освещенность и температура,
увлажненность почвы и минеральное питание.
Этап зрелости. Это период от появления готовности растений к
заложению зачатков репродуктивных органов до формирования
бутонов и цветков или клубней, луковиц и других органов вегетативного размножения и возникновения новых зародышей. Этап
зрелости семенных растений начинается закладкой цветочных зачатков.
Далее идут спорангиогенез, спорогенез и гаметогенез. В результате
образования репродуктивных органов у растений появляется
способность к размножению. Озимые и двулетники не переходят к
цветению без яровизации. У многих растений переход к репродукции
индуцирует свет (фотопериодизм).
7.14.2.
ЯРОВИЗАЦИЯ
В регуляции развития растений важную роль играют температуры
ниже оптимальных для процессов роста. С действием таких температур
связаны прорастание семян, прерывание покоя почек и подготовка к
закладке цветочных бугорков в конусе нарастания. Стимуляцию
цветения при действии пониженных температур называют яровизацией.
Яровизация наклюнувшихся семян озимых культур позволяет и при
весеннем (яровом) посеве получить урожай зерна. С помощью
яровизации и фотопериодизма растение координирует свой жизненный
цикл с сезонными изменениями погоды. По отношению к яровизации
можно выделить три группы растений: озимые, двуручки, яровые.
Озимые растения переходят к репродукции только при воздействии
в течение определенного времени пониженными температурами. К этой
группе относятся многие однолетние, двулетние и многолетние
растения (рожь, пшеница, ячмень, клевер, овсяница луговая, ежа
сборная, кострец безостый, райграс пастбищный и др.). В поле озимые
зерновые, высеянные в конце лета — начале осени, зимуют в фазе
кущения, подвергаются длительному влиянию пониженных
температур, весной продолжают кущение, колосятся и дают урожай
зерна. При весеннем же высеве эти растения интенсивно кустятся, но не
переходят к колошению.
У озимых культур яровизация обеспечивает успешную перезимовку
растений и завершение онтогенеза в регионах, где год резко делится на
устойчивые зиму и лето. Большинство растений, требующих
яровизации, является длиннодневными. У сортов озимых пшениц
преобладает распластанный куст, легко покрывающийся снегом. У
озимых двулетних растений (свекла, репа, морковь, капуста, сельдерей)
при посеве весной в первый год жизни формируются только
вегетативные органы. Яровиза- ционные изменения при длительном
воздействии низких температур в осенне-зимний период возможны при
достижении этими растениями достаточных размеров.
У многолетних злаков озимого типа для прохождения яровизации
необходимо, чтобы яровизируемый побег сформировал достаточно
развитую листовую поверхность: у овсяницы луговой не менее 5—6
листьев, у ежи сборной 6—7, у костреца безостого 7—9 листьев.
Осенняя индукция цветения побегов осуществляется в результате
влияния пониженной температуры и короткого дня (А. К. Федоров,
1968; И. К. Киршин, 1975, и др.).
Двуручки ускоряют развитие при воздействии пониженными
температурами, однако яровизация не является обязательной. Растениядвуручки дают урожай зерна как при осеннем, так и при весеннем
посеве. На основании изучения многих зерновых культур (пшеницы,
ячменя, овса, ржи, тритикале, гороха и др.) показано, что двуручки —
это самостоятельная по типу развития группа растений, отличающаяся
от озимых и яровых реакцией на свет и яровизацию (А. К. Федоров,
1983). Двуручки — это зимующие растения, способные давать высокие
урожаи зерна.
Яровые растения не требуют для перехода к цветению яровизации
(многие зерновые, зернобобовые, крупяные, кормовые, масличные,
прядильные и др.). В северных широтах яровые урожайны только при
весеннем посеве и погибают при осеннем, не выдерживая условий
перезимовки.
Условия яровизации. Температуры, которые необходимы разным
растениям для яровизации, различаются, генетически обусловлены и
связаны с адаптацией данного вида к жизни в определенном
климатическом районе. Для большинства видов растений оптимальная
температура яровизации от 0 до 5—10 °C. Однако для некоторых злаков
благоприятна температура ниже 0 °C (до —6 °C). Для яровизации
озимой пшеницы наиболее эффективны температуры от 0 до 5 °C.
Яровизация маслины проходит при 10—13 °C, а хлопчатника — при
20—25 °C. Уровень оптимальных для прорастания и яровизации
температур — важный фактор, определяющий географическое
распространение конкретных видов и сортов растений, регулирующий
время их цветения и плодообразования. Для большинства сортов
озимой
пшеницы
длительность
непрерывного
воздействия
пониженными температурами (яровизация) составляет 35—60 сут.
С увеличением длительности воздействия температурный оптимум
понижается. Достаточное снабжение растений водой и кислородом
необходимо для яровизации. Растения могут проходить яровизацию в
разном возрасте, начиная с состояния наклюнувшихся семян.
Яровизация в прорастающих семенах многолетних бобовых и злаковых
трав озимого типа не происходит. В условиях фитотрона, яровизируя
семена озимых культур, получают по 2—3 поколения в год, что важно
для ускорения селекционного процесса.
Локализация процесса яровизации. Процессы яровизации у
прорастающих семян и у зеленых растений проходят в стеблевых
апексах (почках), в делящихся клетках верхушечной меристемы.
Образующиеся при этом в клетках апекса продукты яровизации, повидимому, не перемещаются по растению. Однако если меристема
апекса яровизирована, то эффект яровизации передается всем клеткам,
образующимся из яровизированной почки, обусловливает изменения
морфологических проявлений роста, в итоге — переход растения к
репродукции. В пределах куста многолетнего растения яровизацию
проходят только активные меристематические ткани апексов, а
неактивные меристемы остаются неяровизированными и в последующем формируют побеги.
Природа стимула яровизации. Действие яровизации связано с рядом
изменений в физиологическом состоянии и метаболизме клеток
активных меристем и растения в целом. Однако неизвестно, что именно
задерживает репродуктивное развитие и зацветание озимых растений в
отсутствие
яровизирующих
температур,
какие
метаболиты,
возникающие под влиянием этих температур, придают растениям
способность реагировать на изменение длины дня (М. X. Чайлахян,
1990).
Возможно, что накопленные под влиянием пониженных температур
физиолого-биологические изменения в растениях влияют на
образование специфических веществ-регуляторов, вызывающих
цветение растений. Согласно другой гипотезе яровизация
«дерепрессирует» в клетках особые гены. Так, в растениях сортов
озимых пшениц идентифицированы три группы генов, ответственных
за яровизацию. В течение яровизации в тканях озимых растений
накапливаются углеводы и растворимые азотистые соединения,
некоторые липиды, заметно увеличивается количество РНК,
повышается активность цитохромоксидазы, аскорбинаток- сидазы, в
меристематических клетках изоэлектрическая точка белков сдвигается
в кислую сторону. По данным М. X. Чайлахя- на (1990), у озимых
растений,
прошедших
яровизацию,
содержание
природных
гиббереллинов в листьях повышается на длинном дне и достигает
уровня гиббереллинов у яровых форм. Однако повышения ГК на
коротком дне не происходит.
Разъяровизация. Термоиндуцированное состояние верхушечных
меристем достаточно стабильно, ткани «помнят» низкотемпературное
воздействие. Однако последующее продолжительное (несколько недель
или дней) действие относительно высоких температур (25—40 °C или
даже 18—25 °C) приводит к разъяровизации. У растений сахарной
свеклы, лука, озимых злаков способность клеток апекса к образованию
репродуктивных органов теряется. Такой же эффект у ряда растений
вызывают слабое освещение или короткий день. Разъяровизированные
растения можно вновь яровизировать. У многолетних травянистых
растений (многолетняя рожь, ячмень луковичный, ежа сборная,
овсяница луговая и др.) яровизационные изменения устраняются при
образований в узле кущения зачатков новых вегетативных побегов.
Поэтому растение в течение ряда лет сохраняет ози- мость, что и
обеспечивает его ежегодную приспособленность к перенесению
морозов и засухи.
Замена яровизации другими факторами. В ряде случаев действие
пониженных температур может быть заменено выращиванием растений
при непрерывном освещении на коротком дне при синем и красном
свете. Обработка растений гиббереллином может заменить
низкотемпературное воздействие у некоторых двулетников, вызывая
при благоприятном фотопериоде закладку цветочных бугорков (А.
Ланг, 1956).
7.14.3.
ФОТОПЕРИОДИЗМ
Он был открыт В. Гарнером и Г. Аллардом (1920). Огромный вклад
в изучение этого явления внесли отечественные ученые М. X. Чайлахян,
В. Н. Любименко, В. И. Разумов, Б. С. Мошков и др. Фотопериодизм —
это способность растений переходить к цветению только при
определенном соотношении длины темного и светлого периода суток.
Он выражается в изменении процессов роста и развития,
обеспечивающих адаптацию онтогенеза конкретного вида растений к
сезонным особенностям климатических условий в данном месте его
произрастания. Длина дня и ночи используется растением как
астрономические часы, показывающие лучшее время перехода к
активному цветению, развитию клубней и луковиц или подготовки к
сезонным неблагоприятным условиям (В. М. Катунский, 1940). В
процессе эволюции сформировались три основные группы растений с
различной фотопериодической реакцией: длиннодневные, короткодневные, нейтральные.
Длиннодневные растения (ДДР) — рожь, ячмень, пшеница и др. —
требуют для своего развития длинного дня и короткой ночи, зацветают
при длине дня больше определенной (критической) продолжительности
(рис. 135). На рисунке 135 показано влияние длины дня на развитие
хризантемы, в таблице — приложении к рисунку — на цветение
шпината и периллы.
Короткодневные растения (КДР) — просо, соя, рис и др. — требуют
для своего развития длинной ночи и короткого дня, зацветают при
длине дня меньше определенной (критической) продолжительности.
Нейтральные растения — томат, некоторые сорта хлопчатника и др.
— зацветают при любой длине дня.
Большинство растений длинного дня произрастает и возделывается
в районах умеренного климата. Растения короткого дня, южного,
тропического происхождения не переходят к цветению в условиях
длинного дня этих зон. Это важно при видовом и
Рис. 135. Влияние длины дня на развитие и цветение короткодневных (хризантеФотопериод, ч
Культура
5
Шпитан —
Перилла +
6
—
+
7
—
+
8
—
+
9
—
+
10
—
+
II
—
+
12
—
+
—
—
13
+
—
14
15 16
+
—
+
—
17
непрерывный свет
+
—
«+» и «—» означают соответственно наличие и отсутствие и Чтения у растений.
сорговом районировании сельскохозяйственных культур. У разных
видов и сортов растений минимальный фотопериодический
индуктивный период составляет от 1 до 25 сут (циклов) и приводит к
последующему зацветанию растений независимо от длины дня. Для
короткодневных растений необходим непрерывный темновой период
определенной длины. Если его прервать коротким (10 мин) светом, то
индукции цветения не будет. Для длиннодневных растений требуется
длинный световой период, который ускоряет их развитие. Индукция
вызывается светом очень малой интенсивности (3—5 лк).
Фотопериодическая реакция растений наиболее успешно проходит
в лучах определенных длин волн (С. Хендрикс и X. Борг- свик, 1952),
совпадающих со спектром действия фитохрома. В индукции цветения
участвует фитохром (система Фк — Фдк), который отвечает за
восприятие соотношения света и темноты. Полагают, что белок
фитохрома — это фермент, катализирующий синтез какого-то
физиологически активного вещества. В ночной период Фдк
превращается в Фк и это способствует началу реакций, приводящих
короткодневные растения к цветению. При вспышке красного света
(660 нм) Фк превращается в Фдк и это ингибирует реакции, приводящие
к цветению.
вели растение короткого дня, например хризантему, выращивать на
длинном дне, оно не зацветает. Однако растение зацветает при
временном затенении только листьев светонепроницаемой тканью.
Следовательно, воспринимают фотопериодическое
воздействие листья, в которых имеется фитохром. В листьях под
действием соответствующего фотопериода проходят процессы,
приводящие к образованию особых веществ, которые передвигаются по
стеблю и приводят к заложению в конусе нарастания цветочных
зачатков.
.
Какова природа возникающего в листьях стимула цветения? М. X.
Чайлахян (1937) выдвинул гипотезу двухкомпонентной гормональной
системы зацветания (флориген) (рис. 136). Предполагается, что в
гормональный комплекс флоригена входят гиббереллины и
гипотетические антезины. Цветение возможно лишь при наличии и
благоприятном соотношении в растении двух компонентов флоригена
— гиббереллина и антезина. У длиннодневных растений образование
цветочных стеблей зависит от наличия гиббереллина, который
накапливается в достаточном количестве лишь на длинном дне. Второй
гормон цветения — антезин у длиннодневных растений всегда
присутствует в достаточном количестве.
При выращивании длиннодневных растений на коротком дне они не
цветут, так как не хватает гиббереллина. Поэтому опрыскивание
гиббереллином вызывает зацветание длиннодневных растений на
коротком дне. У короткодневных растений антезин образуется только
на коротком дне, содержание же гиббереллина достаточно высокое при
любой длине дня. Поэтому опрыскивание короткодневных растений
гиббереллином не вызывает их зацветания на длинном дне.
Следовательно, зацветание длинноКороткоОнебный
'Ак
Нейтральный
Г+А Г+А
Рис. 136. Автономный и индуцированный механизмы регуляции цветения нейтральных, короткодневных и длиннодневных видов (М. X. Чайлахян, 1989):
7— гиббереллины — гормоны, необходимые для образования стеблей; 2 — антезины — гормоны,
необходимые для образования цветков; 3 — флориген — гиббереллины + антезины, необходимые для
цветения дневных растений лимитирует гиббереллин, а короткодневных
— антезин. Поскольку в листьях цветущих короткодневных и длиннодневных растений присутствуют эти фитогормоны, то прививка
этих листьев к нецветущим растениям вызывает их зацветание при
неблагоприятном фотопериоде.
Следует упомянуть и о некоторых аспектах практического
использования фотопериодической реакции при выращивании
культурных растений. Изменяя длину светотемнового периода у
культур, выращиваемых в защищенном грунте, можно регулировать
цветение декоративных растений и получать цветы к любому сроку, а
также собирать несколько урожаев овощных и зеленных культур в
течение года. Выращивание ДДР на коротком дне в вегетационных
домиках с прерыванием темноты вспышкой света позволит не только
стимулировать цветение растений и получать хороший урожай, но и
значительно снизить себестоимость продукции за счет экономии
электроэнергии.
В открытом грунте можно собрать несколько урожаев ДДР (редис,
репа и др.), если в ранний период и во время формирования корнеплодов
закрыть растения ящиками или темной пленкой, создавая им 12-часовой
день. У земляники после получения весной первого урожая можно
вызвать новое формирование цветков, если на некоторое время
закрывать их, так как для формирования цветков им необходим
короткий день. Затем растения снова открывают и они дают плоды уже
на длинном дне. В этих условиях можно собрать два урожая за сезон.
Изменение фотопериодической реакции во время уборки сахарного
тростника позволит сохранить качество урожая и при длительном
периоде уборки. Для этого в ночные часы плантации короткое время
освещают прожекторами, что вызывает замедление процессов старения
в тканях.
Сочетание слабой освещенности и низкой температуры с учетом
фотопериодической реакции можно использовать для выгонки цветов,
кустарников, хранения картофеля и другой сельскохозяйственной
продукции. Необходимо напомнить, что картофель и другая продукция
не будут прорастать, если их освещать слабым дальним красным
светом. Красный свет, наоборот, будет стимулировать прорастание
клубней.
Этап размножения. Это период заложения, роста, развития и
созревания семян и плодов у растений, размножающихся семенами, и
клубней, луковиц и других органов у вегетативно размножающихся
растений. Этап размножения начинается с оплодотворения.
Завязавшиеся семена становятся мощными аттраги- рующими
центрами, куда начинают передвигаться из других частей растения
значительные количества метаболитов и минеральных веществ.
Биохимические процессы в семенах при их росте и созревании
противоположны таковым при прорастании.
При участии гидролаз и синтетаз из моносахаридов синтези
руется крахмал, из органических кислот и глицерина — жиры, из
аминокислот — запасные белки. В семенах при созревании содержание
сухого вещества быстро увеличивается, а воды снижается. У
сочноплодных
растений
образование
плода
стимулируется
фитогормонами, поступающими из образующихся семян. Из
вегетативных органов растения идет активный приток в ткани плода
питательных веществ. После завершения роста плода происходят
процессы, обеспечивающие его полное созревание. Плоды становятся
мясистыми, плотность мякоти снижается. Размягчение плодов —
результат гидролиза пектиновых веществ клеточных стенок, крахмала
и жиров.
В результате гидролиза крахмала увеличивается содержание в
плодах простых сахаров и яблочной, лимонной и других органических
кислот, продолжается синтез белков. Происходят разрушение
дубильных веществ, синтез душистых эфиров, альдегидов и кетонов.
При разрушении хлорофилла и синтезе каротиноидов и антоцианов
окраска плодов изменяется от зеленой до желтой и красной.
Начало созревания плодов связано с синтезом в них этилена.
Применяя этилен, можно ускорить созревание и достижение плодами
товарного состояния. Для задержки этих процессов в плодах при
хранении их в камерах уменьшают содержание Oj в газовой смеси и
повышают СО2, что снижает синтез этилена в плодах. У многолетних
поликарпических растений наряду с плодовыми побегами и почками
ежегодно образуются и вегетативные. Поэтому многолетние растения,
достигнув зрелости, плодоносят ежегодно.
Экспериментально показано (М. X. Чайлахян, В. Н. Хрянин, 1982),
что экспрессия генов, определяющих пол у двудомных цветками
(огурец, кукуруза), зависит от соотношения цитокинина и гиббе(конопля, шпинат) и однодомных растений с раздельнополыми
реллинов, на которое влияют
различные
внешние
^ДД
воздействия.
Факторы
Свет
Свет
внешней среды, которые
синий
красный
благоприятствуют
синтезу
цитокининов в корневой
<? Высокая#
Низкая#?
системе,
вызывают
проявление женского пола, в
<гСО
-1-С0&
то время как факторы,
способствующие
синтезу
N>K £>
гиббереллинов в листьях,
Влажность*,
^влажность
высокая
низкая
обусловливают проявление
мужского пола (рис. 137).
7.14.4. ФИЗИОЛОГИЯ
СТАРЕНИЯ РАСТЕНИЙ
Этап старения (старости
и отмирания) — это период от
полного
прекращения
Рис. 137. Роль факторов среды и фитогормонов в проявлении пола у растений:
1 — цитокинины; 2 — гиббереллины
плодоношения до естественной смерти растения. Старение — это
период закономерного ослабления процессов жизнедеятельности,
изнашивания, повышения чувствительности растительного организма к
неблагоприятным условиям среды. Старение включает в себя
изменения на молекулярном, клеточном, органном и организменном
уровнях растения. Отмирание — конечный результат негативных
изменений, накопившихся в растении при старении.
Продолжительность жизни, а следовательно, и отмирание каждого
растения генетически детерминированы: яровая пшеница — 1 год,
клевер луговой — 2—5 лет, тимофеевка луговая — 5—12 лет, капуста
— 2 года, виноград — до 100 лет, яблоня — до 200 лет. Процесс
старения развивается постепенно. У взрослого растения благодаря
деятельности меристем одновременно функционируют совсем молодые
и отмирающие клетки и органы. На уровне целого растения рост (корни,
побеги и др.) продолжается до глубокой старости, но скорость его
постепенно замедляется.
Типы старения. У однолетних злаков растение отмирает целиком в
результате какого-то общего процесса (рис. 138). У многолетних трав
ежегодно отмирают отплодоносившие генеративные побеги, а узел
кушения, корневая система и другие подземные части остаются
жизнеспособными. У яблони, груши и других культур ежегодно после
плодоношения отмирают плодовые веточки. Осенью одновременно
стареют и опадают все листья, но большая часть побегов и корневая
система сохраняют жизнеспособность.
Старение отдельных органов может быть полезным для всего
растительного организма: стареющие и отмирающие листья снабжают
питательными веществами более молодые органы, способствуют
подготовке растений к зимним условиям.
Причины и механизмы старения. Старение связывают с генетически обусловленной программой, а также рассматривают как
результат накопления повреждений в онтогенезе клетки, органа и
растения.
Ученые называют несколько причин старения:
отток большей части питательных веществ от вегетативных органов
к развивающимся репродуктивным органам, смерть наступает от
истощения. Раннее удаление генеративных органов у гречихи, могара,
конских бобов, нута, люпина, льна, горчицы, фасоли, подсолнечника
задерживает старение этих растений. Укосы многолетних трав до
цветения позволяют проводить их несколько раз, что повышает общий
сбор и качество корма;
самоотравление организма продуктами собственного обмена
веществ. Клетки листьев и других органов у некоторых растений
Рис. 138. Типы старения растений (В. В. Полевой, Т. С. Саломатова, 1991):
1 — растение отмирает; 2 — отмирает только надземная часть; 3 — одновременное старение и опадение
всех листьев; 4— постепенное старение листьев (направление отмечено стрелкой)
с возрастом переполняются щавелевокислым кальцием, алкалоидами,
дубильными и другими балластными веществами. Чтобы избавиться от
них, растение сбрасывает часть побегов, корней и листьев. Старят
растения токсины, вырабатываемые почвенной микрофлорой при
бессменной культуре сельскохозяйственных растений, многие
патогенные организмы;
отставание развития корневой системы, изменение отношения побег
: корень в онтогенезе растения (Д. А. Сабинин, 1963; В. О. Казарян,
1951). Старение во время формирования семян и плодов определяется
угнетением роста корней из-за ограниченного поступления в них
фотоассимилятов. Угнетение же роста корней снижает общую
жизнедеятельность растения, вызывает старение всего растительного
организма. У плодовых деревьев с годами по мере увеличения высоты
ствола ухудшаются трофические, гормональные и другие связи между
листьями и корнями, что приводит к снижению активности апикальных
меристем побегов и других органов растения.
Изменение соотношения фитогормонов. Старение вызывается
нарушением соотношения фитогормонов, возникающим под действием
внутренних и внешних факторов. В стареющих органах количество
стимуляторов роста резко уменьшается, а ингибиторов —
увеличивается. Начало и развитие процесса старения листа
сопровождаются увеличением АБК и этилена в листьях и плодах.
Процесс старения заканчивается их опадением в результате
формирования клеток отделительного слоя.
Основную роль в этом процессе играют уменьшение содержания
ауксина в черешке или плодоножке и увеличение этилена. Этилен
индуцирует синтез целлюлазы и полигалактуроназы, расщепляющих
основные компоненты клеточных стенок и срединных пластинок в
отделительном слое. В результате лист или плод опадают.
Причиной старения являются нарушение структурной целостности
клеток и их органелл в стареющих органах, возрастание проницаемости
мембран в результате снижения синтетической активности отдельных
органов и всего растения.
Развитие старения связано с уменьшением процессов синтеза белка
и других биополимеров клетки и усилением их распада. В результате
замедляется обновление компонентов клетки, происходят снижение
функций, нарушение регуляции. Клетки в разных тканях имеют
неодинаковую продолжительность жизни.
На выполнение генетической программы старения клеток влияют
различные нарушения обменных процессов (увеличение содержания
модифицированной ДНК, повреждение хроматина ядра и мембран
свободными радикалами, образующимися в результате стрессов,
патологии и др.), что приводит к синтезу дефектных белков, токсичных
веществ, нерегулируемым процессам автолиза, ускоряющим старение.
Важнейшими показателями старения (Е. П. Алешин, А. А. Пономарев, 1979) являются снижение оводненности тканей и гидрофильности сухого вещества, содержания белков, РНК, калия, магния,
интенсивности фотосинтеза и дыхания, изменение направленности
биохимических процессов в сторону гидролиза, усиление
лигнификации и суберинизации клеточных стенок, снижение зольности
сухого вещества, повышение проницаемости клеточных мембран для
оттока питательных веществ в молодые растущие органы, замедление и
прекращение роста, нарушение соотношения между стимуляторами и
ингибиторами роста.
Старение листа. Процесс старения листа начинается с остановки
его роста, коррелирующей со снижением фотосинтетической
активности, интенсивности и эффективности дыхания. В листьях
снижается содержание хлорофилла, нуклеиновых кислот, деградируют
клеточные органоиды. В желтеющем листе фотосинтез не обеспечивает
постоянство сухой массы. Лист вместо продуктов фотосинтеза
поставляет в растение продукты гидролиза полимеров клетки
(низкомолекулярные соединения, содержащие азот, фосфор, серу). В
процессах старения листьев принимают участие фитохром и природные
ингибиторы роста. Повышенная температура, недостаток воды и света
ускоряют старение листьев на растениях.
Ускорение старения листьев может быть результатом конкуренции
за питание и регуляторы роста с другими листьями на растении,
побегами, формирующимися цветками и1 плодами. По- винимому,
программа старения конкретного листа включается в ситуации, когда
требуется перераспределение веществ в другие органы (апексы,
плодоэлементы и др.) для поддержания общего гомеостаза в
растительном организме.
В густом травостое или кроне дерева увеличивается доля дальнего
красного света (ДК) в радиации на уровне нижних ярусов листьев, что
ускоряет их старение и опадение. Доказано, что ДК увеличивает
чувствительность тканей листа (черешка) к этилену. Проведение укоса
или прореживание задерживают старение листьев. У многих растений
старение листьев можно задержать предотвращением цветения,
опыления или воздействием неблагоприятным фотопериодом.
Наоборот, у кукурузы, ячменя и других культур удаление молодых
соцветий (метелки, початки, колос) ускоряет старение листьев.
Старение целого растения. Оно отражает процессы старения всех
составляющих его органов. Старение растения тесно связано с
замедлением или прекращением ростовых процессов его тканей и
органов. В период старения резко снижаются интенсивность
фотосинтеза, дыхания и других физиологических процессов,
оводненность тканей, содержание белков, РНК, калия и магния,
уменьшаются дисперсность и гидрофильность белков, изменяются
электрические свойства мембран (падает МП), снижается активная
компонента транспорта ионов.
При старении растения процессы распада начинают преобладать над
синтезом. Исследованиями Н. А. Максимова (1958) установлено, что
проницаемость молодых растительных тканей (по выходу
электролитов) высокая, затем она снижается, а с началом старения опять
повышается, что, вероятно, способствует оттоку минеральных и
органических веществ из стареющих в молодые растущие органы.
Старение и факторы внешней среды. У стареющего растения
резко снижается сопротивляемость по отношению к неблагоприятным
факторам среды, которые легко переносятся молодым организмом и
вызывают гибель старого. Возрастные изменения запрограммированы в
наследственной основе, однако их темпы зависят от внешней среды.
Ускоряют старение недостаток питательных веществ и воды, слишком
низкая или высокая температура, ионизирующее излучение и др. У
некоторых
растений
старение
индуцируется
определенным
фотопериодом.
7.15’ ЦИКЛИЧЕСКОЕ СТАРЕНИЕ И ОМОЛОЖЕНИЕ
' РАСТЕНИЙ И ИХ ОРГАНОВ В ОНТОГЕНЕЗЕ
На протяжении онтогенеза растения происходят закономерные
изменения длины междоузлий, размеров, формы и окраски листьев в
зависимости от их положения на стебле и его боковых побегах,
морфологии корневой системы. Это явление получило
название возрастной изменчивости. В процессе развития растительного
организма многие клетки, ткани и даже органы стареют и отмирают.
Одновременно с этим до конца жизни растения происходят
новообразование клеток, тканей и органов, процесс омоложения. Таким
образом, растение составляют клетки, ткани и органы разного возраста
(рис. 139). В 1940 г. Н. П. Кренке сформулировал основные положения
теории циклического старения и омоложения растений, которая
раскрывает сущность индивидуальных возрастных изменений.
Положения этой теории сводятся к следующему.
Растительный организм с момента возникновения непрерывно
стареет вплоть до своей естественной смерти.
Старение растения в первой половине онтогенеза прерывается
периодическим омоложением благодаря появлению новых молодых
органов — побегов, листьев и др. Молодые органы замедляют темпы
старения материнского растения. Однако полное омоложение наступает
только при оплодотворении. Наиболее медленно стареют
меристематические и покоящиеся клетки.
Новообразования у растений (листья, побеги и др.) испытывают
влияние стареющего материнского организма. Это проявляется в том,
что их жизненный цикл сокращается и общая жизнедеятельность
падает. Различают понятия «возраст» (календарный возраст) и
«возрастность» (физиологический возраст). Возраст (собственный
возраст) растения или его органа (лист, побег) исчисляют от момента
его заложения. Возрастность определяется возрастом органа и
материнского растения.
Чем старше возраст целого растения, тем меньше возраст вновь
появляющегося органа. Листья недельного возраста на годичном или на
десятилетнем сеянце имеют разный физиологический возраст. В
пределах плодового дерева листья на побегах высших порядков
ветвления физиологически более старые, чем листья того же возраста
на побегах низших порядков ветвления. Поэтому по
форме, анатомическому строению,
ряду
физиологических
и
биохимических признаков верхние
листья, несмотря на свой меньший
возраст, часто обнаруживают
признаки большего старения, срок
их жизни часто короче, чем у
средних листьев на том же побеге.
С возрастом уменьшается и
способность растений к омоРис. 139. Соотношение процессов старения ложению. В начальные периоды
и омоложения в онтогенезе высшего
развития растения преобладают
растения:
процессы омоложения, затем
а — эмбриональная фаза; б — молодость; в —
зрелость; г — размножение; д — старость; I —
процессы старения достигают
старение; 2 — омоложение
уровня,
на
котором
они
уравновешиваются с процессами
омоложения. В дальнейшем преобладает старение, которое и приводит
к смерти. Развитие в онтогенезе, таким образом, характеризуется
одновершинной (биологической) кривой.
Цикличность развития заключается в том, что дочерние клетки
являются временно омоложенными в отношении материнских. В
каждый момент нарастания верхушки побега или корня происходит
частичное омоложение конуса нарастания Однако в онтогенезе
растения наблюдаются постепенное ослабление циклов омоложения и
прогрессирующее старение меристемы апексов побегов и корней. Это
проявляется в закономерном изменении формы, размеров, окраски
листьев, длины междоузлий и других признаков на побегах.
Скорость старения, продолжительность жизни растения определяются исходным, генетически обусловленным потенциалом
жизнеспособности вида. Жизнь растения сводится к постепенной
реализации потенциала жизнеспособности. Имеющийся в данное
конкретное время потенциал жизнеспособности какого- либо органа
растения равен исходному потенциалу минус использованная его доля
за истекший срок собственной жизни данного органа.
Проблемой старения и омоложения плодово-ягодных культур
занимался П. Г. Шитт (1958). Он впервые установил наличие
возрастных качественных изменений у корней. Теория циклического
старения
и
омоложения
Н.
П.
Кренке
подтверждается
многочисленными исследованиями и практикой. Так, размер, форма
растений хлопчатника, тутового дерева, яблони, сахарной свеклы и
рассеченность листовой пластинки, длина черешка и другие признаки
закономерно изменяются в зависимости от яруса. По такой же
одновершинной кривой в процессе онтогенеза меняются и физиологобиохимические признаки. И. В. Мичурин обращал внимание садоводов
и биологов на тесную связь между органообразовательными
процессами в организмах и возрастной изменчивостью. Он указывал,
что с возрастом меняются строение гибридных сеянцев, тип листьев,
строение стебля, форма и вкус плодов.
Ранние признаки скороспелости. Установленные Н. П. Кренке
закономерности изменения морфологии листьев и побегов в связи с их
возрастом позволили разработать рекомендации по ранней диагностике
скороспелости растений ’ в пределах вида у тутового дерева,
хлопчатника, конопли, льна, проса, гречихи, капусты и др. Возрастные
морфологические изменения листьев сахарной свеклы коррелятивно
связаны с накоплением сахара в корнеплоде. Для скороспелых
сахаристых сортов характерно резкое изменение морфологических
признаков листьев, а у позднеспелых сортов с пониженным
содержанием сахара эти признаки изменяются постепенно. Выявленная
закономерность важна для селекции на сахаристость и скороспелость.
У однолетних сеянцев скороспелых сортов яблони междоузлия короче,
ветвление более сильное, листья расположены гуще, чем у сортов,
позже вступающих в плодоношение. У двулетних сеянцев яблони интенсивность зеленой окраски листьев при переходе от верхних ярусов к
нижним у скороспелых форм яблони изменяется более резко, чем у
позднеспелых.
Н. П. Кренке отмечал, что верхние почки на стебле и развивающиеся
из них побеги быстрее проходят онтогенетические изменения, чем
нижние. Поэтому при вегетативном размножении чем выше по стеблю
плодового растения взяты черенок или почка, тем раньше после
укоренения или окулировки растение способно зацветать.
При культуре чая для получения высококачественного продукта
убирают с более старых кустов листья более молодого календарного
возраста Исследования Н. П. Кренке стали основой для
совершенствования приемов подрезки растений, регулирующей
процессы вегетативного роста и генеративного развития у плодовых
деревьев; для выбора побегов и их частей требуемого качества при
вегетативном размножении растений, обеспечивающего лучшую
укореняемость черенков; для достижения оптимального сочетания
вегетативного и генеративного развития растений при черенковании и
прививках.
7.16.
ПОНЯТИЕ О РОСТЕ ЦЕЛОСТНОГО РАСТЕНИЯ
Рост целостного растения интегрирует рост отдельных частей и
органов, проходит в соответствии с его генетической программой роста
и развития. Рост растения обеспечивается единством обмена веществ,
разнообразными механизмами взаимосвязи органов, тканей и клеток,
разнокачественностью осевых (стебли и корни) и метамерных (листья и
побеги) органов (Г. Молиш, 1933; Н. П. Кренке, 1940; М. X. Чайлахян,
1954).
Взаимодействие частей растительного организма основано на
круговороте воды и минеральных соединений, поступающих из почвы,
и органических веществ, синтезируемых в листьях, корнях и других
органах растения. Эти взаимодействия обеспечивают рост целостного
растения, создают необходимые условия для закладки и формирования
..репродуктивных органов, семян и плодов. В системах регуляции
растения особую роль выполняют верхушки побега и корня — главные
доминирующие центры (В. В. Полевой, 1982), а также листовой аппарат
— третий доминирующий центр (М. X. Чайлахян, 1988), активно
участвующие в синтезе и круговороте трофических и гормональных
веществ. Взаимодействие этих трех центров определяет целостность
растительного организма в онтогенезе, особенности его фенотипа в конкретных почвенно-климатических и агротехнических условиях.
Формирование зачатков генеративных органов начинается в конусах
нарастания в самом раннем возрасте растения (III—IV этапы
органогенеза). Морфофизиологические изменения в конусе нарастания
тесно связаны с процессами, протекающими в листьях, и наоборот. В
одни периоды преобладает влияние листа на конус нарастания
(фотопериодизм), в другие — усиливается влияние конуса нарастания
(яровизация).
Основной причиной задержки или ускорения роста и дифференциации конусов нарастания побегов, очевидно, является изменение
количества и состава поступающих в них питательных веществ и
фитогормонов. Эти изменения могут быть результатом снижения
метаболизма и роста всего растения, что отмечается при
неблагоприятных условиях выращивания, а также результатом
корреляционных связей, когда в одни органы метаболиты поступают
более интенсивно, чем в другие. Так, в конус нарастания имеющиеся в
растении питательные вещества не поступают при посеве весной без
яровизации озимых сортов пшеницы, при формировании у ряда
растений запасных органов (корнеплод, луковица).
Задержка роста и дифференциации конусов нарастания побегов
может происходить на всех этапах органогенеза. Наоборот, рост конуса
нарастания может быть ускорен, а рост растения подавлен, что
наблюдается при осенней дифференциации почек древесных плодовых
растений. Взаимодействие частей — обязательное условие
генеративного развития растений (М. X. Чай- лахян, 1980). Растущие
вегетативные и генеративные органы растений оказывают большое
влияние на интенсивность фотосинтеза, скорость поглощения воды и
элементов минерального питания, на направление и скорость
передвижения пластических веществ в организме.
Распускающиеся почки растений являются акцепторами ассимиЛятов, поступающих из зрелых фотосинтезирующих листьев,
ауксина, цитокининов и гиббереллинов. Когда молодой лист достигает
примерно */г своего конечного размера, он превращается в донора
ассимилятов. В пределах растения развивающиеся и ранее
образовавшиеся органы конкурируют за свет, регуляторы роста,
питательные вещества, воду.
Клеткам меристем свойственны активно работающие Н+-на- сосы и,
следовательно, аттрагйрующая сила. При этом основная почка главного
побега, имея высокую концентрацию ИУК, создает наибольшую
аттрагирующую силу и перехватывает питательные вещества,
цитокинин у боковых (пазушных) почек. Подобный же механизм,
возможно, определяет торможение роста пазушных почек листьями в
период их собственного роста.
В природе встречаются различные сочетания процессов вегетативного роста и репродуктивного развития. У семенных растений
генеративное развитие обычно задерживает рост. Так, озимые пшеницы
при весеннем посеве сильно кустятся, образуют большую массу, но не
формируют стеблей. Прошедшие яровизацию растения тех же сортов,
наоборот, имеют ограниченное кущение, цветут и образуют зерно.
Растения длинного дня (горчица, люпин и др.) в условиях длинного
дня интенсивно растут и рано зацветают, а при коротком дне растут
медленно и поздно зацветают. Растения короткого дня (конопля, соя и
др.) в условиях длинного дня интенсивно растут, но не цветут, а в
условиях короткого дня растут медленно и рано зацветают. У
поликарпических многолетних травянистых и древесных растений
генеративное развитие не останавливает рост, который продолжается
благодаря наличию не только плодовых, но и вегетативных почек.
Вегетативный рост также задерживает генеративное развитие. Так,
избыточное азотное питание, стимулируя вегетативный рост многих
растений, задерживает образование цветков и плодов. Наоборот,
изменения условий питания, ограничение роста плодовых прививками
на слабых подвоях, обрезкой стимулирует цветение и плодоношение
растений. Усиленный рост ботвы задерживает развитие клубней
картофеля, топинамбура, корнеплодов свеклы, брюквы, турнепса.
Усиленный рост листьев у луковичных растений ослабляет
формирование луковиц, а быстрое образование и усиленный рост
луковиц снижают облиственность растений.
Одна из важнейших задач агротехники — обеспечение в посевах
наиболее рационального распределения по вегетативным и
генеративным органам растений фотоассимилятов и метаболитов.
Накопленные факты-свидетельствуют о сложной взаимосвязи между
вегетативными частями растения и формирующимися семенами (К. Е.
Овчаров, 1976). Условия, подавляющие синтетическую деятельность
вегетативных органов, нарушают метаболические процессы в семенах,
снижают их урожай и качество. Наоборот, условия, снижающие
метаболизм формирующихся семян, нарушают нормальный ход
синтетических процессов в листьях и других частях растения.
В опытах у растений пшеницы через две недели после цветения
удаляли колосья. Уже через несколько часов интенсивность
фотосинтеза снизилась на 50 %, ослабилось дыхание. У контрольных
растений 45 % ассимилятов поступало в колосья, 11 — в корни и
молодые побеги и 28 % оставалось в листьях. При удалении же колосьев
большая часть ассимилятов оставалась в листьях, что вызвало
депрессию фотосинтеза (Р. Кинг, И. Вар- длав, Л. Эванс, 1967).
Удаление початков у кукурузы снижало интенсивность фотосинтеза
растений на 25—34 %. Следует особо подчеркнуть, что удаление у
озимой пшеницы листьев верхнего яруса на VIII этапе органогенеза
почти на треть уменьшало накопление растениями общей сухой массы,
в том числе на 18 % массы зерна и на 38 % соломы (В. С. Шевелуха,
1980).
Продукты фотосинтеза (метка С44О2), образующиеся в каждом
листе пшеницы, по-разному используются в онтогенезе растения. Так,
основная часть фотоассимилятов нижнего листа перемещается в корни
и в меньшей степени — в боковые побеги, из третьего листа ассимиляты
поступали в равном количестве в корни и стебли, четвертый лист
обеспечивал главным образом стебли и в меньшей степени корни,
пятый лист снабжал ассими- лятами преимущественно главный побег,
из верхнего (шестого) листа основная часть продуктов фотосинтеза
поступала в колос и главный побег. В фазе колошения пшеницы и
созревания зерна интенсивность фотосинтеза верхнего листа была
намного выше, чем второго или третьего листа (Равсон, Хофстра, 1969).
Верхний (флаговый) лист пшеницы снабжает ассимилятами в пределах
колоса преимущественно зерновки, из второго сверху листа ассимиляты
в относительно большем количестве направляются в колосковые и
цветковые чешуи (И. А. Тарчевский и др., 1973). Высокопродуктивные
сорта пшеницы характеризуются повышенной аттрагирующей
способностью в расчете на одну зерновку колоса и на весь колос. Это
коррелирует с повышенным содержанием ауксинов во флаговом листе
и зерновках колоса (С. В. Бирюков, 1991).
7.16.1.
УПРАВЛЕНИЕ ГЕНЕРАТИВНЫМ РАЗВИТИЕМ И СТАРЕНИЕМ
РАСТЕНИЙ ПУТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО, ТЕМПЕРАТУРНОГО
И ВОДНОГО РЕЖИМОВ, МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ ХИРУРГИЧЕСКИМИ
И ХИМИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ
Применяют различные приемы управления генеративным развитием
и старением растений. У сои (короткодневное растение) скорость
развития семян стимулируется дополнительными короткими днями.
Виды многолетних трав, относящиеся к растениям длинного дня,
ускоряют генеративное развитие при круглосуточном освещении.
Зацветание риса (короткодневное растение) можно задержать
прерыванием длинной ночи кратковременным воздействием света.
По данным Д. Керр и др. (1973), прерывая ночные периоды
облучением лазерным красным светом (580—800 нм), удается ускорить
цветение растений и созревание семян ячменя и пшеницы, а у сахарного
тростника повысить урожай в результате увеличения периода
вегетативного роста. Осенью у озимых замедленное развитие
обусловливается как влиянием короткого дня, так и ослабленной
интенсивностью освещения и понижающейся температурой. Поэтому
по степени выраженности фотопериодической реакции у озимых и
двуручек в селекционной работе проводят отбор на зимостойкость (А.
К. Федоров, 1983).
Цветение редиса (растение длинного дня) задерживают коротким
днем. В Подмосковье искусственное (светонепроницаемый ящик)
сокращение дня до 12 ч позволяет избежать цветения редиса и получать
полноценные корнеплоды в середине лета. Этим же приемом можно
ускорить цветение в грунте хризантем (короткодневные растения).
Продолжительность этапов онтогенеза значительно колеблется в
зависимости от температурных условий. Хлопчатник, клещевина и ряд
других многолетних растений тропического происхождения
развиваются в умеренных широтах как однолетние растения. Для
задержки старения (вырождения) растений применяют летние посадки
картофеля, летние посевы для получения маточных корнеплодов. В
каждой агроклиматической зоне России используют сроки посева
озимых зерновых культур (пшеницы, ржи, ячменя), обеспечивающие
наиболее благоприятное прохождение озимыми этапов онтогенеза,
зимостойкость. Орошение, усиленное азотное питание замедляют
процессы старения. Водный стресс, резкие колебания температуры
оказывают обратное влияние.
Одно из средств регулирования процессов старения и омоложения
растений — изменение условий минерального питания. М. X. Чайлахян
(1988) выделил три группы растений по азотфло- ральной реакции.
Азотнегативные, зацветающие быстрее на бедной азотными
веществами почве (пшеница, ячмень, овес, горчица, шпинат, люцерна,
клевер и др.). Все азотнегативные растения — растения длинного дня.
Азотпозшпивные, зацветающие быстрее на богатой азотными
веществами почве (просо, кукуруза, могар, подсолнечник, хлопчатник,
табак, перилла, перец и др.). Все азотпозитивные растения с ярко
выраженной реакцией на азот — растения короткого дня. Растения со
слабовыраженной реакцией на азот — растения как длинного, так и
короткого дня (промежуточная группа) — люпин, салат, хризантема и
др. Азот- нейтральные, зацветающие одновременно на бедной и
богатой азотными веществами почве (фасоль, гречиха, конопля, соя и
др.). Азотнейтральные растения включают нейтральные, короткодневные и длиннодневные виды.
Все это указывает на значительную связь между реакцией цветения
растения на азотное питание и фотопериодическими группами. М. X.
Чайлахян объясняет эту связь возникшими в процессе эволюции видов
растений
приспособительными
свойствами.
Короткодневные
теплолюбивые виды являются выходцами из южных тропических и
субтропических
стран,
где
приспособление
растений
к
репродуктивному развитию (а это главное) шло по линии
максимального использования условий питания, в том числе азотного.
Длиннодневные выносливые виды являются обитателями умеренных и северных широт, где приспособление к репродуктивному
развитию шло по линии наиболее быстрого, а следовательно, и
относительно меньшего использования условий питания, в том числе
азотного, там, где при недостатке азота азотпозитивным
короткодневным теплолюбивым видам грозит гибель без сохранения
потомства, а азотнегативные длиннодневные холодостойкие виды
успевают дать жизнь новому поколению. Это необходимо учитывать в
системе удобрения конкретных сельскохозяйственных культур.
Повышенное азотное питание и поливы задерживают старение
растений и их органов у многих видов. Так, подкормка растений
сахарной свеклы в начале пожелтения листьев азотнокислым аммонием
восстанавливает зеленый цвет листьев.
Нормальное обеспечение растений фосфором ускоряет формирование вегетативных органов и генеративное развитие. У сахарной
свеклы подкормки суперфосфатом ускоряют старение листьев и
вызревание корня.
Недостаток калия приводит к уменьшению оводненности тканей
растений, подавлению процессов синтеза и усилению процессов
распада. А. П. Шенников (1941) указывает, что долголетие луговых трав
увеличивается при улучшении питания (при удобрении, устранении
конкурентов, при более редком посеве и др.) и уменьшается при его
ухудшении (на бедных почвах, в загущенных травостоях и др.).
После оплодотворения процессы старения растения значительно
ускоряются. Репродуктивные органы интенсивно мобилизуют
питательные вещества из других частей растения, которые быстро
стареют. Удаление генеративных органов у гречихи, конских бобов,
сои, нута, люпина, льна, горчицы, фасоли и подсолнечника, задерживая
старение, увеличивает общую вегетативную массу растений.
Продолжительность жизни растений огурца зависит от сроков съема
плодов. При культуре огурца на семена растения рано стареют и
отмирают. При регулярном съеме 6—10дневных завязей рост растений
продолжается долгое время. Формирование семян усиливает процессы
старения травостоев клевера и других бобовых и злаковых трав.
При многоукосном использовании травостоев, когда укос проводят
до цветения растений, удается увеличить длительность их
использования, повысить качество корма. Созревающие плоды и семена
выделяют фитогормоны, которые вызывают постепенное старение
листьев и стебля и отток питательных веществ из них к соцветиям.
Многоукосное использование стимулирует также побегообразование за
счет спящих почек, процессы омоложения. .
В практике плодоводства и городском хозяйстве используют обрезку
деревьев и кустарников, при помощи которой формируют крону
молодых деревьев. В последующие годы ее поддерживают и
омолаживают, удаляя дряхлеющие побеги, восстанавливают прирост,
урожайность и качество плодов. Благоприятное влияние обрезки —
результат удаления физиологически ослабленной верхней части
годичного прироста или ветвей высших порядков, изменения
соотношения между кроной и корневой системой, усиления роста за
счет спящих почек и омоложения кроны (П. Г. Шитт, 1958).
Омоложению плодовых деревьев, продлению их продуктивного
долголетия способствует также подрезка стареющей корневой системы
(В. А. Колесников, Ф. Н. Пильщиков, 1985).
Химические регуляторы роста позволяют управлять генеративным
развитием и старением растений, о чем говорилось ранее.
Опрыскивание растений гиббереллином останавливает распад
хлорофилла, задерживает пожелтение и опадение листьев. Обработка
цитокинином (6-бензиламинопурин) листьев и стеблей хлебных злаков
при формировании зерна, замедляя распад белков и хлорофилла,
задерживает их старение. Наоборот, обработка колоса пшеницы и
початка кукурузы стимулирует налив зерна и старение вегетативных
органов этих растений (Т. Г. Самойленко, 1986; С. А. Варфоломеев,
1988).
7.16.2.
ОСОБЕННОСТИ РОСТА РАСТЕНИЙ В ФИТОЦЕНОЗЕ
В одновидовых и разновидовых посевах и насаждениях сельскохозяйственных растений складываются отношения взаимопомощи и
конкуренции за свет, воду, элементы минерального питания и другие
факторы, определяющие интегральный прирост биомассы фитоценоза
и качество урожая. Пластичность растений хлебных злаков, их
способность регулировать численность развивающихся стеблей в
зависимости от наличия питательных веществ, света, влаги, тепла
позволяет
успешно
выращивать
зерновые
культуры
при
различающихся нормах высева.
Вегетативные побеги участвуют в накоплении пластических
веществ вплоть до сбрасывания этих побегов в процессе стебле- отбора.
Отмирание побегов связано с переходом растений к генеративному
развитию (С. А. Муравьев, 1973). В густом посеве под влиянием
конкуренции между растениями усиливается мобилизация запасных
веществ на формирование зерна. Оценка продуктивности растений,
выросших в разреженных посевах (посадках), не может характеризовать
их урожайность при густом посеве.
В процессе селекции утрачены многие механизмы саморегуляции,
или самоизреживания, растения выравнены по генотипу и фенотипу,
что существенно снижает их устойчивость (главным образом
способность к репарациям на уровне организма) и продуктивность
биомассы и семян с единицы площади (Н. Ф. Батыгин, 1986). Среди
механизмов дифференциации растений по интенсивности роста, другим
процессам жизнедеятельности, по выживаемости большую роль играют
их химические (аллелопатические) взаимодействия в ценозах.
Продуктивность фитоценозов зависит и от морфофизиологических
особенностей составляющих их растений. В многокомпонентных
фитоценозах растения, имеющие даже более высокую удельную
активность фотосинтеза, но потребляющие ас- симиляты
преимущественно на гетеротрофные ткани и органы, как правило, менее
урожайны, чем растения, у которых значительная часть ассимилятов
используется на новообразование фотосинтетического аппарата.
Поэтому селекция только на высокую фотосинтетическую активность
листа и хлоропласта имеет смысл лишь при условии, если этот фактор
согласован с общим анализом роста и с высоким ассимиляционным потенциалом фитоценоза (А. Т. Мокроносов, 1988).
Оптимизация морфофизиологического типа растений для высокопродуктивных посевов — важная задача физиологов и селекционеров. Концепция модели сорта, успешно используемая в селекции
пшеницы, риса, кукурузы и других сельскохозяйственных культур,
носит зональный характер. Короткостебельные сорта пшеницы в
Заволжье в засушливые годы сильнее снижают урожай, чем сорта с
длинным стелем, так как фонды ассимилятов, реутилизируемые при
наливе зерна, у короткостебельных сортов ограничены.
Агрономы отмечают ухудшение качества продукции при росте
урожаев: снижение сахаристости корнеплодов сахарной свеклы,
белковости зерна хлебных злаков, крахмалистости клубней картофеля,
сахаристости ягод, винограда и т. д. Дело в том, что интенсификация
агротехники стимулирует прежде всего рост и фотосинтез, изменяет
структуру целостного растения, процессы же биосинтеза белка,
сахарозы, крахмала при отложении этих веществ в запас более
консервативны. Поэтому концентрация этих продуктов в хозяйственно
ценной части урожая снижается. Однако современные технологии
позволяют избежать названные противоречия.
7.16.3.
РЕГУЛЯЦИЯ РОСТА И ОНТОГЕНЕЗА
В растении функционирует система, регулирующая процессы роста
и развития растения на трех уровнях его организации:
внутриклеточном, межклеточном и организменном. Внутриклеточный
уровень включает системы генетической, ферментной и мембранной
регуляций. Межклеточный уровень включает трофическую,
гормональную и электрофизиологическую системы регуляций. Эти
регуляции очевидны при культивировании клеток и органов растений.
Так, для обеспечения их роста в питательную среду обязательно
включают трофические и гормональные факторы, поступающие
обычно из других органов целостного растения. Организменный
уровень регуляции, кроме названных, включает также систему
фитохрома, участвующую в регуляции многих ростовых процессов в
растениях и семенах.
У адаптированных к конкретному региону растений системы
регуляции обеспечивают цветение растений в наиболее благоприятное
время года, образование достаточной массы вегетативных органов
(корней, листьев) для обеспечения процессов формирования семян и
плодов, а также окончание активной вегетации до наступления холодов.
Растение обладает способностью измерять время, имеет биологические
часы, позволяющие ему оптимизировать время наступления и
успешный ход репродуктивного периода.
Полагают, что измерение времени осуществляется в организме по
типу песочных часов благодаря процессам накопления растением
определенной массы, числа метамеров, какого-то вещества, гормона
или соотношения гормонов. Так, растения переходят к образованию
цветочных зачатков только после образования определенного для
каждого вида (сорта) числа листьев. Возможно также измерение
времени растением по принципу маятника осциллятора, по
ритмическим колебаниям каких-то физиологических процессов,
которые мало зависят от внешних условий.
По М. X. Чайлахяну (1988), в растениях имеются два типа
регуляций, влияющих на переход растений от этапа молодости к
зрелости, — автономный и индуцированный. Автономная регуляция
(возрастной контроль) проявляется в переходе растений в цветочноспелое состояние лишь в определенном возрасте. У большинства
яровых зерновых цветочно-спелое состояние наступает при наличии у
растений нескольких листьев.
У плодовых деревьев оно наступает через 4—5 лет и более.
Переход к цветению связывается с накоплением определенного
количества и качества питательных веществ. По Г. Клебсу (1905),
переход растений к цветению определяется отношением углерода к
азоту. Зацветанию растений способствуют условия, вызывающие
накопление сахаров, а вегетативное состояние поддерживают условия,
способствующие накоплению азотистых веществ. У плодовых деревьев
кольцевание ускоряет образование цветочных почек. В переходе к
цветочно-спелому состоянию важную роль играет накопление
гормональных веществ в побегах, что объясняет определенную
последовательность в зацветании побегов разных ярусов.
Индуцированная регуляция достижения цветочно-спелого состояния
вызывается
определенными
внешними
факторами
(светом,
температурой и др.). Особое значение для многих видов растений имеет
воздействие
температуры
(яровизация)
и
фотопериода
(фотопериодизм). Следует вспомнить о значении света для регуляции
процессов жизнедеятельности растения в онтогенезе. В семени и
проростке имеются системы, воспринимающие действие света разной
интенсивности и качества (фотоморфогенез).
При прорастании семени проросток движется к источнику света
(фототропизм). Далее формируются органы автотрофного питания
(фотосинтез). Закладка генеративных органов многих растений зависит
от длины светового дня (фотопериодизм). В поле, теплицах и
фитотронах необходимо создавать благоприятные условия для лучшей
реализации потенциальной продуктивности растений, что невозможно
без учета наличия сложной системы регуляции процессов их роста и
развития.
7.17. ФИЗИОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СЕМЯН, ПЛОДОВ
И ДРУГИХ ПРОДУКТИВНЫХ ЧАСТЕЙ РАСТЕНИЙ.
ТИПЫ РАЗМНОЖЕНИЯ РАСТЕНИЙ
Важнейшей функцией живых организмов является их способность
размножаться. Размножение растений — это физиологический
процесс воспроизведения себе подобных организмов, обеспечивающий
непрерывность существования вида и расселения его представителей в
окружающей среде. Для растений характерны два типа размножения:
бесполое и половое. Беспалое размножение спорами характерно для
низших растений и папоротникообразных. Простое деление
наблюдается у одноклеточных организмов, при этом ему предшествует
репликация ДНК. К бесполому относится также и вегетативное
размножение, заключающееся в воспроизведении потомства из
вегетативных частей многоклеточных растений: отдельных клеток,
частей тканей и органов — листа, стебля, корня и их видоизменений —
усов, кйубней, луковиц и др. Размножение клетками и участками ткани
успешно применяют в биотехнологии.
Половое размножение осуществляется путем слияния гаплоидных
половых клеток — гамет, в результате чего образуется зигота. Половое
размножение имеется у всех низших и высших растений. Если при
половом размножении сливаются гаметы противоположных полов
одной (для однодомных) или разных (для двудомных) особей, то такое
размножение называется сингамией. При этом зигота имеет диплоидное
состояние и несет в себе наследственную основу мужского и женского
организмов. Иногда зародыш развивается из различных клеток
гаметофита — такое размножение называется апомиксисом, при этом
образуются либо гаплоидные зародыши (из редуцированных ядер),
либо диплоидные (из нередуцированных). Примером апомиксиса может
служить партеногенез (образование зародыша из неоплодотворенной
яйцеклетки).
Система полового размножения у покрытосеменных растений ,
включает четыре физиологических процесса: цветение, опыле* ние,
оплодотворение и формирование семян.
7.17.1.
ФИЗИОЛОГИЯ ЦВЕТЕНИЯ
Цветок — это репродуктивный орган покрытосеменных растений,
состоящих из укороченного стебля, на котором расположены чашечка,
венчик, андроцей и гинецей. Цветок выполняет функции спорогенеза,
гаметогенеза, опыления и оплодотворения. Он является органом как
бесполого (образование спор), так и полового (образование гамет)
размножения.
Цветение в ботаническом смысле представляет период в жизни
растений от момента раскрывания бутона до засыхания венчика и
тычинок отдельного цветка. Цветение отдельной особи длится от
раскрытия первых цветков до отцветания последних.
В физиологическом плане цветение рассматривается как комплекс
процессов, протекающих в период от начала закладки цветочных
зачатков до оплодотворения и образования зиготы.
Переход покрытосеменных растений к цветению включает
компетенцию, инициацию и эвокацию.
Компетенция (способность зацветать) возникает у разных растений
только в определенном возрасте. Так, яблоня зацветает в возрасте 5—6
лет, а дуб — свыше 40 лет. Для зацветания необходимо также, чтобы
растение полностью завершило ювенильный этап онтогенеза. Большое
значение имеет накопление достаточного количества питательных
веществ, столь необходимых для образования репродуктивных органов
и семян. Существует принцип минимального количества листьев,
необходимых для заложения первых цветков. Время зацветания
(переход к репродуктивной фазе) в значительной степени связано с
важнейшими факторами внешней среды. Известно, что повышенное
азотное питание, усиливающее вегетативный рост растений, тормозит
цветение. Недостаток влаги в почве, как и недостаток многих других
жизненно важных элементов, как правило, ускоряет репродуктивное
развитие растений. В этом выражается стремление каждого вида
создать свое потомство даже в неблагоприятных внешних условиях.
Существенную роль в цветении играют некоторые микроэлементы и в
первую очередь железо и медь. Наиболее продолжительное цветение
наблюдается в благоприятные годы, когда температура, влажность и
другие факторы находятся на уровне средних многолетних.
Инициация цветения связана с восприятием растением специфических внешних и внутренних факторов, создающих условия для
закладки цветочных зачатков. К важнейшим экзогенным факторам
относятся чередование дня и ночи (фотопериодизм) и температурные
условия, необходимые для яровизации.
Эндогенные факторы связаны с возрастными изменениями растения.
Эвокация цветения представляет собой завершающую фазу
инициации, во время которой в апексе происходят процессы,
необходимые для закладки цветочных зачатков (В. В. Полевой, 1989).
Процессы эти происходят на разных уровнях. На субклеточном уровне
увеличивается содержание субстратов дыхания и его интенсивность,
усиливается синтез РНК и белков, изменяется состав последних,
повышается активность некоторых ферментов.
На клеточном уровне происходит синхронизация биохимических
процессов в клетках, в результате чего наступает их одновременное и
ускоренное деление. На гистологическом уровне идет реорганизация
меристемы: исчезают зоны, вакуолизируется стержневая сердцевинная
меристема.
На макроморфологическом уровне происходят ранняя инициация
боковых меристем, увеличение скорости формирования бугорков,
изменяется порядок расположения листьев на стебле. Таким образом, в
апикальной меристеме происходят изменения, обеспечивающие
развитие цветка и выполнение ими генеративных функций. В
результате дифференциации тканей образуются структурные элементы
цветка: чашечка, венчик, андроцей и гинецей.
В пыльниках тычинок в результате последовательных редукционного и эквационного делений образуются пыльцевые зерна
(мужской гаметофит). Пыльцевое зерно состоит из двух оболочек
(эктина и интина), вегетативной и генеративной клеток. В завязи
пестика при мейозе развивается зародышевый мешок (женский
гаметофит). Он состоит из восьми ядер, дифференцирующихся затем в
гаплоидную яйцеклетку, две синергиды, три антиподы и диплоидное
центральное ядро.
7.17.2.
ФИЗИОЛОГИЯ ОПЫЛЕНИЯ И ОПЛОДОТВОРЕНИЯ
Процессы, связанные с оплодотворением, разделяют на четыре
фазы: опыление, прорастание пыльцы на рыльце, рост пыльцевых
трубок в тканях столбика и собственно оплодотворение.
Опыление. В зрелом состоянии мужской и женский гаметофиты
имеют минимальную физиологическую активность. При попадании
пыльцы на рыльце пестика вследствие их слипания (адгезии) в зоне
соприкосновения поверхностей происходят активные метаболические
процессы. Пыльца начинает поглощать воду из рыльца и набухать. При
этом она выделяет на поверхность рыльца белки, аминокислоты,
нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, пигменты, гидролитические
ферменты и другие физиологически активные вещества.
Начальная фаза адгезии происходит вследствие поступления
подвижных веществ на поверхность рыльца из внешней оболочки
пыльцы — экзины, затем начинают высвобождаться вещества из
интины.
С. И. Лебедевым (1982) установлена особая роль в оплодотворении
каротиноидов, которые обусловливают желтый цвет андроцея и
гинецея, как правило, энтомофильных растений. Под влиянием
рассеянного света такая пыльца приобретает запах фиалки или
земляники вследствие освобождения из каротина летучего вещества рионона, чем и привлекаются насекомые.
Проникновение (инвазия) желтых пигментов пыльцы в ткани
рыльца активизирует прорастание пыльцевых зерен. При прорастании
пыльцы ксантофиллы играют роль аккумуляторов кислорода для
окислительно-восстановительных реакций. Наряду с влиянием
каротиноидов на прорастание пыльцы их недостаток приводит к
нарушению микроспорогенеза и образованию абортивных гамет.
Каротиноиды также принимают активное участие в двойном
оплодотворении (В. А. Подцуб- ная-Арнольди, 1976).
Пестик и его рыльце обладают менее высоким содержанием и
активностью ферментов и других физиологических веществ, чем
пыльца, тем не менее гинецей играет важную роль в процессе
прорастания пыльцы.
Ткань рыльца состоит из эпидермальных клеток, которые могут
быть покрыты либо тонким адгезиновым слоем, либо жидким
экссудатом. В первом случае оно называется «сухое рыльце», во втором
— «влажное рыльце». Сухой тип рыльца свойствен большинству
однодольных растений, его поверхность покрыта эпидермисом в виде
одно- или многоклеточных сосочков. Поверхностный слой рылец
(пелликула) насыщен липидами и белками, обладает высокой
активностью эстеразы и АТФ-азы.
Выделения рылец влажного типа представлены липофильными
экссудатами и гидрофильными слизистыми секретами, насыщенными
белками и углеводами. Эти выделения содержат также гидролитические
ферменты (пероксидазы, эстеразы, амилазы). Выделяемые рыльцем
секреторные вещества обеспечивают адгезию пыльцы, поступление в
нее воды при прорастании, защиту от инфекции, поддерживают рост
пыльцевой трубки в тканях рыльца.
Рост пыльцевой трубки в столбике пестика. В зависимости от
анатомической структуры столбики разделяют на два основных типа:
открытый и закрытый. Открытый тип (характерен для однодольных
растений) имеет специальный канал, выполненный простой эпидермой
и физиологически активной слизью. Через этот канал происходит рост
пыльцевой трубки. У закрытого типа столбика (характерен для
двудольных растений) канал заполнен проводящей тканью, через
которую осуществляется врастание трубки в завязь.
Пыльцевая трубка изначально образуется из протопласта
пыльцевого зерна, вовлекая в себя вегетативное ядро и генеративную
клетку, а в дальнейшем используются питательные вещества,
содержащиеся в проводниковой ткани столбика пестика. Рост
пыльцевой трубки сопровождается повышенной активностью
метаболических процессов: увеличивается интенсивность дыхания,
изменяется водный режим, наблюдается усиленное образование
ауксина и триптофана.
За счет активного действия гидролитических ферментов растворяются пектиновые вещества, связывающие клетки проводящих
тканей, что облегчает проникновение трубки через столбик. В
физиологической среде в области роста пыльцевых трубок
увеличивается содержание углеводов, белков, фосфорных соединений,
аскорбиновой кислоты, ауксинов, гиббереллинов и других веществ.
Процесс роста пыльцевых трубок предопределен наличием в пыльце
рибосомальной и информационной РНК. Во время этого процесса
новый синтез РНК не наблюдается. Из минеральных веществ особо
активное участие принимают ионы кальция, калия, бора, магния и др.
У большинства покрытосеменных растений при прорастании
пыльцевой трубки происходит образование спермиев путем митотического деления генеративной клетки. Однако у многих покрытосеменных растений сперматогенез происходит в пыльниках до
наступления цветения. .
Оплодотворение. Пыльцевая трубка проникает через микропиле в
зародышевый мешок, где она входит в контакт с одной из синергид.
Содержимое трубки, ее цитоплазма, вегетативное ядро и спермин
сливаются с цитоплазмой синергиды. Один из спермиев оплодотворяет
яйцеклетку, в результате чего образуется диплоидная зигота, дающая
начало зародышу. Другой спермий сливается с диплоидным вторичным
ядром зародышевого мешка, что приводит к возникновению
триплоидной первичной клетки эндосперма. В этом заключается
свойственное покрытосеменным растениям двойное оплодотворение,
открытое С. Г. Нава- шиным в 1898 г.
При излиянии содержимого пыльцевой трубки в зародышевый
мешок в нем создается определенная физиологическая среда, которая в
случае совместимости женских и мужских половых элементов будет
способствовать процессу оплодотворения, а при несовместимости —
препятствовать ему.
Ч. Дарвин впервые описал самонесовместимость при самоопылении
перекрестноопыляемых растений. Она заключается в способности
отторгать собственную пыльцу из-за разницы в тургорном давлении в
пыльце и рыльце либо вследствие ингибирования прорастания
образованием полисахарида каллозы.
Известно, что на начальных этапах прорастания пыльцевого зерна из
его оболочек (экзины и интины) на поверхность рыльца пестика
начинают выделяться специфические белки, которые у совместимого
рыльца вызывают активацию физиолого-биохимических процессов,
способствующих образованию и росту пыльцевой трубки, а у
несовместимого — образование каллозы, изолирующей пыльцевое
зерно и таким образом вызывающей прекращение его прорастания. У
некоторых растений в клетках несовместимого пестика синтезируются
белки, являющиеся ингибиторами роста пыльцевых трубок.
Кроме физиологических и биохимических причин самонесовместимости она может обусловливаться морфологическими особенностями цветка. Примером может служить гетеростилия — наличие
цветков с различной длиной столбиков пестиков и нитей тычинок у
разных растений одного и того же вида, что препятствует
самоопылению.
7.17.3.
ФОРМИРОВАНИЕ СЕМЯН КАК ЭМБРИОНАЛЬНЫЙ ПЕРИОД
ОНТОГЕНЕЗА РАСТЕНИЙ
В результате опыления и оплодотворения образуются диплоидная
зигота и триплоидная первичная клетка эндосперма. После этого
наступает процесс формирования семян, под которым необходимо
понимать приобретение ими свойственных данному растению форм,
размеров, биохимического состава, способности прорастать и давать
потомство. Этот процесс сопровождается возникновением новых
тканей и органов. Формирование семян представляет собой
эмбриональный период развития растений (Н. М. Макрушин, 1989)
(рис. 140).
Изучение формирования семян имеет важное теоретическое и
практическое значение, поскольку они несут в себе наследственную
основу нового организма, содержат запасные питательные вещества,
необходимые для становления проростка. Нормально развившееся семя
— показатель урожая данного поколения и основа последующего
урожая.
Семя злаковых состоит из покровов (рис. 141, 1—5), эндосперма (6,
7) и зародыша {8—10). При формировании семян отмечают несколько
последовательных периодов и фаз. Исходя из исследований ряда
ученых (Н. Н. Кулешов, 1963; И. Г. Строна, 1966; Т. Г. Коренев, 1967;
Н. М. Макрушин, 1985) процесс формирования семян можно
представить в следующем виде (табл. 23).
Выход в трубку —
колошение
И и I Эмбриональный
—!!—J период
Колошение —
цветение
„ I Ювенильный
период
Кущение — конец
осенней вегетации
Цветение — молочное состояние
• •• JI Период половой
'
< I зрелости
Конец осенней вегетации — начало весенней вегетации
Начало весенней вегетации — выход в
трубку
Молочное состояние
— восковая
спелость
Восковая — полная
спелость
• • | Период
——I размножения
Посев — всходы
—<
L,LL | Период
— ---- 1 старости
Рис. 140. Схема вегетационного периода и онтогенеза пшеницы (по Н. М. Макрушину, 1989)
Рис. 141. Строение зерновки пшеницы:
1—5— покровы семени: эпикарпий, мезокарпий, эндокарпий, пигментный слой, гиалиновый слой; 6—
алейроновый слой; 7—мучнистое ядро эндосперма; 8—щиток; 9—зачаточная
почка; 10— корешок
23. Система периодизации формирования семян злаковых культур
Период развития семени
Образование семени (длится от
оплодотворения до завершения
формирования зерновки в длину)
Налив (охватывает период наиболее интенсивного накопления запасных веществ семени и
соответствует фазе вторичных
морфологических изменений в
зародыше)
Созревание (начиная с момента, когда в основном завершено накопление веществ в семени, наступают процессы полимеризации и подсыхания,
семена становятся полноценными зачатками новых растений)
Фазы развития и созревания семени Влажность семян, %
Начальный этап эмбриогенеза
(соответствует фазе количественного накопления клеток
в зародыше)
Предмолочное состояние
Молочное состояние
Тестообразное состояние
90-75
75-65
65-50
50-40
Восковая спелость:
начало
40—32
середина
32-27
конец
27—22
Твердая спелость
22—14 и ниже
Послеуборочное дозревание
От 14 до равно(в семенах происходят сложные весной влажности
биохимические преобразования)
Полная спелость (начинается с
То же
момента завершения
физиологического созревания и
наступления максимальной
всхожести семян)
Семена формируются в процессе жизнедеятельности материнского
растения в определенных условиях внешней среды. Вследствие
влияния различных эндогенных и экзогенных факторов на растения в
разные периоды их жизни семена по анатомо-морфологическим,
биохимическим, физиологическим, генетическим и репродуктивным
свойствам приобретают определенные отличия. Такое явление принято
называть разнокачественностью, изменчивостью семян или
гетероспермией. В зависимости от характера факторов воздействия
гетероспермия бывает экологического или трофического типов. В
связи с формами проявления изменчивости свойств семян
гетероспермия делится на генотипическую и модификационную.
Первую используют в селекции, а последнюю — в семеноводстве и
технологии выращивания сельскохозяйственных растений.
7.17.4.
НАКОПЛЕНИЕ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ
СЕМЯН
При переходе растений к этапу половой зрелости и размножения, в
течение которых формируются генеративные органы, существенно
изменяется ход биохимических процессов в растении. Основным
аттрагирующим центром в этот период онтогенеза становятся семена,
в которых протекают реакции новообразования структурных
элементов и запасных веществ. В целом же растении для
формирования семян происходит мобилизация веществ, накопленных
ранее в разных его органах (рис. 142).
Важную роль в воспроизводстве потомства растений играют
запасные вещества семени, которые обеспечивают питание проростка
на самом начальном этапе онтогенеза в гетеротрофный период его
развития.
Основными запасными веществами семян большинства видов
растений являются белки, углеводы и липиды. Распределение этих
веществ в разных частях плода неодинаковое. Например, весь крахмал
пшеничного зерна, 80 % сахара и больше половины белка содержатся
в эндосперме. Алейроновый слой также богат питательными
веществами. В нем находятся более половины имеющегося в зерновке
жира и пятая часть белка и сахара. Масса зародыша составляет
незначительную часть массы семени (у пшеницы около 3 %), однако
концентрация веществ в нем довольно высокая. В семенах злаков
имеются также свободные аминокислоты, нуклеиновые кислоты,
ферменты, витамины и другие физиологически активные вещества. В
золе зерна содержится большое число макро- и микроэлементов (Р, К,
Mg, Al, Са, Si, Cl, Си, Со и др.).
Биологический синтез органических веществ в клетках обеспечивается в первую очередь поступлением и распределением двух
основных органогенов — азота и углерода. В онтогенезе растительного
организма отложение запасных азотистых соединений имеет видовую
специфику. У бобовых существенную часть аминного азота,
используемого для синтеза белка в формирующемся зародыше,
составляют аминокислоты, содержащиеся в плодах, а также
накопившиеся в самом эндосперме. У большинства же растений
источником азота для образования запасного белка служат
аминокислоты, поступающие из листьев, в которых активизируются
процессы гидролиза азотистых веществ.
Важнейший запасной продукт многих растений — крахмал —
образуется в пластидах семени вследствие утилизации поступающих из
окружающей цитоплазмы простых сахаров. Этот процесс
катализируют три фермента: а-глюканфосфорилаза, крахмалсинтетаза и 0-энзим. Первые два фермента контролируют синтез линейных
цепей полисахарида, в результате чего образуется его амилозный
компонент, который обусловливает ветвление этих цепей с
образованием амилопектина.
Исходя из особенностей синтеза крахмала в семенах, а также
образования и функционирования пластид выделяют два типа семян. К
первому типу относят семена, накапливающие крахмал в течение всего
или большей части периода их формирования и содержащие
крахмальные зерна в зрелом состоянии (многие растения семейств
Бобовые, Мятликовые, Гречишные). Семена вто-
Рис. 142. Изменение содержания различных соединений в семени (/), зародыше (2) и
эндосперме кукурузы (3) в течение 46-дневного периода после опыления (Ingle et al., 1965):
а — белки; б — жиры; в — РНК; г — ДНК; д — растворимый азот; е — аминокислоты; ж — сахара; з
— растворимые нуклеотиды
рого типа образуют крахмал на ранних этапах своего формирования до
начала накопления запасных белков и липидов. В зрелом состоянии
крахмал они не содержат. К ним относятся семена высокомасличных
растений семейств Капустные, Молочайные, Астровые.
Липиды локализуются в различных частях семени — эндосперме,
осевой части зародыша, семядолях. Они начинают накапливаться на
очень ранних этапах развития плодов (Н. В. Цингер, 1958).
В зародышах семян липиды в отличие от крахмала накапливаются
в значительных количествах. Одновременное присутствие в
эмбриональных тканях жира и крахмала — явление чрезвычайно
редкое, оно отмечено у некоторых представителей гвоздичных,
лавровых и др. (В. А. Поддубная-Арнольди, 1976).
Важно отметить, что особенно активный синтез липидов наблюдается в растениях с вступлением их в генеративную фазу
развития. В семенах как основном аттрагирующем центре процессы
липидных реакций протекают значительно интенсивнее, чем в
вегетативных органах растений (С. Ф. Измайлов, 1986).
Важным запасным веществом семян является фитин, представляющий собой кальциево-магниевую соль инозитфосфорной
кислоты.
Физиологические функции фитина в жизнедеятельности растений
довольно обширны. Он является основным фосфогеном растений и
служит резервом фосфора в зрелых семенах, который используется
проростком в период гетеротрофного питания. При распаде фитина в
прорастающих семенах катионы калия, кальция и магния переходят в
легкотранспортируемые формы, что способствует их быстрой
мобилизации в осевую часть проростка. Миоинозит — продукт
гидролиза фитина — участвует в углеводном обмене (А. Л. Курсанов,
1976).
В зрелых семенах фитин находится исключительно в алейроновых
зернах в форме калиево-магниево-кальциевой соли. Большая часть его
содержится в сложных алейроновых зернах — глобоидах, однако
некоторое его количество имеется непосредственно в белковом
матриксе алейронового зерна.
В семенах масличных растений фитина больше (до 3 %), чем в
белково-крахмальных и крахмалистых семенах (0,3—1,5 %).
7.17.5.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВЕГЕТАТИВНЫХ И РЕПРОДУКТИВНЫХ
ОРГАНОВ В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ СЕМЯН
Вегетативные органы растений играют важную роль в синтезе и
накоплении запасных веществ в плодах и семенах. Установлено, что
большая часть белка в семенах (около 2/з) синтезируется в результате
реутилизации азотистых веществ вегетативных органов, где они
накопились к началу налива семян.
Различные органы играют неодинаковую роль в снабжении
формирующегося семени азотистыми веществами. В опытах с
пшеницей установлено, что из всего азота, поступающего в семена из
вегетативных органов, на листья приходится около 50 %, на стебли —
20—30, на корни — 10—30 %, элементы соцветия дают 10—15 % (А.
Н. Павлов, 1984). Вегетативные органы являются также основным
источником углеводов для синтеза в зерновках крахмала. Если учесть
потери на дыхание, то реальный вклад листьев в накопление в семенах
углеводов составляет НО— 120 % их общего количества в зерне (А. М.
Соболев, 1982; А. Н. Павлов, 1984).
Значительная роль в формировании семян принадлежит аттрагирующей способности колоса, т. е. привлечению метаболитов из
вегетативных органов для собственного формирования. Колосовые,
цветковые чешуи и ости наряду с высокой фотосинтетической
деятельностью более активно используют мономерные вещества
других органов для синтеза запасных веществ семян. У сортов с
повышенной
атграгирующей
способностью
более
высокая
транспирация за счет хорошо развитых колосковых, цветковых чешуй
и остей.
Характер передвижения веществ после скашивания растений
хорошо иллюстрируется результатами исследований, проведенных во
Львовском сельскохозяйственном институте с озимой пшеницей в
контролируемых
условиях,
создаваемых
в
искусственных
климатических камерах с применением изотопа 32Р (табл. 24).
24. Влияние сроков уборки и условий дозревания на формирование семян
озимой пшеницы
Условия дозревания растений после скашивания
Срок уборки
обмолот и выде- в снопиках, в в снопиках
валках
ление зародышей в
во влажной
день уборки
камере
в снопи
ках в суховейной
камере
Масса 1000 семян, г
Конец формирования зерновки в длину
Молочное состояние
Тестообразное состояние
Середина восковой спелости
Твердая спелость
15,4
18,5
19,4
14,6
25,2
35,6
41,9
41,7
26,8
37,9
41,4 •
40,9
30,6
38,3
43,0
42,0
24,5
34,9
41,1
41,9
0,500
0,760
0,863
0,650
0,720
1,154
1,301 .
1,318
0,946
1,122
1,282
1,080
1,313
1,438
0,897
1,215
1,289
—
—
—
Масса 1000 зародышей, г
Конец формирования зерновки в длину
Молочное состояние
Тестообразное состояние
Середина восковой спелости
Твердая спелость
ITC
При дозревании скошенных растений во влажной камере
(температура 17 °C, относительная влажность воздуха 90 %) вегетативная масса подсыхала медленно, что способствовало более
длительному оттоку пластических веществ из стебля и листьев в зерно. Масса 1000 семян в таких условиях была самой высокой при
всех сроках уборки. При дозревании в суховейной камере (температура
32 °C, влажность 46—50 %) масса 1000 семян не увеличивалась, а даже
снижалась по сравнению с контролем (обмолот в день уборки).
Это объясняется тем, что разница в скорости высыхания семян при
суховее и во влажной камере была незначительной, в то время как
стебли при суховее высыхали очень быстро. В этом случае отток
веществ из стеблей быстро прекращался, а зерно, будучи достаточно
влажным, теряло сухое вещество на дыхание. В поле в валке
передвижение веществ из соломы в зерно определяется естественными
условиями: атмосферными осадками, температурой воздуха и
наличием ветра. Более низкая температура, смена дня на более
прохладную ночь и периодическое увлажнение соломы дождями и
росами способствуют оттоку пластических веществ из вегетативных
органов в зерно.
Поступление веществ в зерновку продолжается вплоть до середины
восковой спелости (влажность 30—27 %). Следовательно, это время
необходимо отнести к оптимальному сроку начала раздельной уборки
колосовых культур. Более ранняя уборка приводит к недобору урожая.
Завершать скашивание в валки необходимо в конце восковой спелости
при влажности зерна 23— 22 %.
В накоплении веществ зародышем отмечаются такие же закономерности, как и при формировании зерновки в целом, причем
увеличение массы зародышей имело место также и при дозревании
растений при суховее, что указывает на активное использование ими
запасных веществ эндосперма. Этому способствуют более высокая
влажность эмбриональных тканей (75—40 % при разных сроках
уборки) по сравнению с эндоспермом (59—35 % в те же сроки уборки).
Если накопление веществ в зародыше продолжается вплоть до
конца восковой спелости зерна, то количество клеток в нем уже после
тестообразного состояния не изменяется. В зависимости от условий
дозревания масса зародышей варьировала в значительных пределах,
однако число клеток в них также практически не изменялось.
Соотношение вегетативной массы и массы семян растения в
значительной степени определяет их белковость. Как правило, у
высокобелковых сортов пшеницы на единицу массы семян приходится
больше вегетативной части. А. Н. Павлов (1984) сообщает, что
основным фактором, определяющим уровень накопления белка в
семенах, является количество азота в растении, приходящееся на
единицу массы зерна, называемое показателем обеспеченности зерна
азотом.
Между соотношением развития корневой системы и надземной
массы существует тесная взаимосвязь. Н. М. Макрушин (1985)
установил, что при увеличении площади питания число корешков на
одно растение возрастает. Однако при этом значительно усиливается
кущение растений, образуется подгон с неполноценными зерновками,
что приводит к снижению массы 1000 семян и ухудшению их
биологических свойств. Причина заключается в том, что при
увеличении общего количества корешков, приходящегося в целом на
растение, их число в пересчете на отдельные стебли и семена
уменьшается, что обусловливает снижение обеспеченности последних
влагой и элементами питания. Поэтому лучшие семена получают при
оптимальных площадях питания растений.
7.17.6.
ПРЕВРАЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВ ПРИ СОЗРЕВАНИИ СОЧНЫХ ПЛОДОВ
Созревание сочных плодов сопровождается сложным комплексом
биохимических превращений. При этом вещества, образовавшиеся на
более ранних этапах формирования плодов, используются для синтеза
новых веществ на завершающихся стадиях их созревания. Общая схема
превращения запасных веществ при созревании плодов на
материнском растении или же при хранении представлена на рисунке
143.
Обмен запасных веществ (сахаров, кислот и др.) осуществляется по
двум метаболическим путям: окисления и декарбоксилирования.
Образующиеся при этом метаболиты и высвобождающаяся энергия
используются на создание структур клеточных органелл и обеспечение
их функций, а также на активизацию биосинтеза веществ,
необходимых для процесса созревания, — нуклеиновых кислот,
белков, липидов, этилена, ароматических веществ и др. Превращение
запасных веществ происходит с помощью как ферментов, уже
имеющихся в растущем плоде, так и за счет новых ферментативных
систем.
После сбора плодов биохимические процессы более активно
протекают в первые дни и недели. При достижении определенного
максимума активность многих физиологических систем снижается и
их направленность изменяется. Например, если на первых этапах
созревания более интенсивно идут процессы окисления, то в
дальнейшем преобладают реакции декарбоксилирования.
Максимальная активность биосинтетических процессов при
созревании плодов сопровождается временным усилением дыхания,
который назван климактерическим. Считается, что климак-
РНК БЕЛОК ЛИПИДЫ ЭТИЛЕН ПАХУЧИЕ
X
ВЕЩЕСТВА
ВОСК
Рис. 143. Схема превращения запасных вещест* при созревании плодов
(по Л. В. Метлицкому, 1976)
терический подъем дыхания означает кульминацию процесса созревания и начало старения.
Важная роль в процессе созревания плодов принадлежит процессу
превращения органических кислот. Вследствие окисления и
декарбоксилирования в цикле Кребса они становятся источниками Н+
и СО2 для дыхания и исходным материалом для биосинтеза ряда
веществ в процессе созревания.
Промежуточным продуктом окисления малата в пируват, происходящего в митохондриях, является щавелевоуксусная кислота
(ЩУК), которая уже в небольших количествах способна подав
лять систему сукцинатдегидрогеназы, что приводит к нарушению
цикла Кребса. В митохондриях плодов яблони обнаружен механизм
превращения ЩУК в аминокислоту путем переаминирова- ния. Наряду
с этим в климактерической фазе увеличивается проницаемость
тонопласта, что обеспечивает возрастание скорости поступления
органических кислот из вакуоли в цитоплазму.
При климактерическом подъеме дыхания величина дыхательного
коэффициента возрастает с 1 до 1,5 и более, что обусловливается
сдвигом дыхания от аэробного к анаэробному. Об этом
свидетельствует заметное увеличение в созревающих плодах спирта и
ацетальдегида. Одной из причин анаэробного сдвига дыхания при
созревании плодов является ослабление доступа воздуха из-за
постоянного. биосинтеза кутикулярных веществ. Основной же
причиной является возникновение ферментативной системы,
состоящей
из
трех
энзимов
—
малатдегидрогеназы
декарбоксилирующей, пируватдекарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы.
Этот механизм не связан с гликолизом, а состоит в декарбоксилировании яблочной кислоты с образованием больших количеств
пировиноградной кислоты в созревающих плодах. Ключевым
ферментом данной системы является малатдегидрогеназа, основная
функция которой состоит в регулировании количества Скислот в
цитоплазме. Фермент удаляет избыток кислот, возникающий
вследствие ослабления их транспорта в вакуоль.
Деятельность малатдегидрогеназы выражается той же кривой, что
и климактерический подъем дыхания, а поэтому может служить
показателем физиологической активности тканей созревающих
плодов.
7.17.7.
ПРИЕМЫ НОРМИРОВАНИЯ ПЛОДОНОШЕНИЯ И УСКОРЕНИЯ
СОЗРЕВАНИЯ ПЛОДОВ И ОВОЩЕЙ
Периодичность плодоношения вызывается чрезмерно высокими
урожаями плодов в отдельные годы, приводящими к истощению
деревьев. Это явление обусловливается как генетическими факторами,
так и условиями среды. В сельскохозяйственной практике с целью
нормирования плодоношения, стабилизации образования цветочных
почек, уменьшения опадения плодов, облегчения их съема и ускорения
созревания исцользуют физиологически активные вещества.
Для регулирования плодоношения можно проводить прореживание
завязей. Плод остается связанным с побегом до тех пор, пока
синтезируемые в семенах ростовые вещества через плодоножку
транспортируются к месту его прикрепления, что препятствует
образованию
отделительной
ткани.
Путем
опрыскивания
синтетическими ауксинами можно вызвать снижение синтеза этих
веществ семенами и тем самым индуцировать образование слоя
отделительной ткани. Для яблони применяют препарат карбарил. Для
стабилизации образования цветочных почек рекомендуют этефон. Для
сортов яблони, склонных к опадению, полезно применять регуляторы
роста, обеспечивающие прочность соединения плода с плодоножкой.
Лучшими при этом являются кислота а-НУК или ее амид НУД. Можно
использовать также препараты 2,4-Д и КАНУК (калиевая соль
нафтилуксусной кислоты).
Часто плоды в технической спелости трудно отделяются от побегов,
что затрудняет уборку урожая, особенно механизированную.
Опрыскивание растений флордимексом за 5—7 дней до уборки
способствует образованию отделительной ткани и облегчению съема
плодов смородины, крыжовника и вишни.
Эндогенным стимулятором созревания плодов является этилен,
который образуется в мясистом околоплоднике. Этилен ускоряет
наступление климактерического подъема дыхания, что способствует
более быстрому созреванию плодов. Он действует на созревание
перикарпия плода и на семена, а также вызывает распад хлорофилла,
благодаря чему зеленые плоды быстро приобретают свойственную им
окраску. Этилен находится в своеобразной конкуренции с ауксином. В
молодых плодах этилена мало, а ауксинов много. По мере завершения
роста плодов количество ауксинов в них уменьшается, а этилена —
увеличивается (Л. В. Метлицкий, 1976).
Выдерживание плодов в среде с небольшим количеством этилена
стимулирует процесс их созревания. В совершенно зеленых плодах,
богатых ауксином, действие экзогенного этилена неэффективно.
Этилен применяют для ускорения дозревания томатов, яблок, груш,
айвы, абрикосов, персиков и других плодов. Созревание происходит за
5—6 дней.
7.17.8.
ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ
НА КАЧЕСТВО СЕМЯН
Жизнеспособность семян определяется внутренними факторами
организма и внешними условиями их формирования и хранения.
Генетические факторы. Важнейшими внутренними факторами
являются процессы, связанные с гаметогенезом, оплодотворением,
развитием семян, а также синтезом и накоплением веществ.
Способность семян к прорастанию зависит прежде всего от количества
хромосом в гаметах, принимающих участие в оплодотворении. Так, у
гетерогеномных пшенично-ржаных гибридов (тритикале) нарушаются
мейоз, а также рост пыльцевых трубок, процесс оплодотворения,
эмбриогенез и эндоспермогенёз.
Содержание нуклеотидов в тканях зародышей очень низкое, а
катионы кальция и бора в щитке зародыша и алейроновом слое
гибридной зерновки отсутствуют. У тритикале часто наблюдается
щуплость семян. Это обусловлено торможением формирования
мелкозерного крахмала, что приводит к образованию вмятин на
зерновке, а также повышенной активностью у тритикале фермента ссамилазы, приводящей к растворению накапливающегося крахмала.
Названные причины приводят к образованию аномальных семян,
обладающих слабой жизнеспособностью, либо вообще не способных
прорастать. Преодолеваются эти явления при помощи мейотической
или митотической полиплоидизации, что обеспечивает нормальный
гаметогенез, оплодотворение и развитие семени.
На жизнеспособность семян значительное влияние оказывает
мутационный процесс. Мутации приводят к изменению характера
роста и формирования органов, торможению или усилению синтеза и
накопления веществ, ослаблению активности определенных
метаболических реакций. Мутации с полезными отклонениями
используют как исходный материал для селекции сельскохозяйственных культур. Получены формы гречихи с повышенным
содержанием белка. У пшеницы достигнуто снижение отрицательной
корреляции между содержанием белка в семенах, массой 1000 семян и
продуктивностью растений. У сои и фасоли повышены масса 1000
семян и озерненность соцветий.
Экологические факторы. Воздействие факторов внешней среды
на формирование семян имеет двоякий характер: косвенное влияние
через материнское растение и прямое действие на семена с момента их
образования до уборки урожая и в период хранения.
Условия среды оказывают большое влияние на эмбриогенез. Так,
при температуре 10 °C в период формирования семян яровой пшеницы
рост ткани колеоптиля был подавлен на 9 %, а при 30 °C на 30 %
превосходил рост ткани, находящейся в оптимальных условиях (20 °C).
Такая же закономерность наблюдалась в развитии зародышевого листа.
Рост тканей корня при прохладном режиме угнетался в 2 раза сильнее,
чем рост ткани листа.
Температура и атмосферные осадки наравне с режимом питания
растений являются определяющими факторами химического состава
семян. При меньшем количестве осадков и повышенной температуре
воздуха содержание белка увеличивается, а крахмала — уменьшается.
Температурный режим оказывает сильное влияние на состав
жирных кислот в семенах. Например, у сои при повышении
температуры заметно снижается содержание линолевой и мено- левой
кислот, а количество олеиновой кислоты увеличивается.
В условиях повышенных температур (25—30 °C) уменьшается
содержание фруктоолигосахаридов в листьях, что является одной из
причин снижения продуктивности колоса пшеницы, выращиваемой
при неблагоприятном тепловом режиме. На углеводный обмен
растений специфическое действие оказывает свет, что проявляется в
сильном изменении соотношения количества и качества образующихся
углеводов. Длинноволновой свет смещает углеводный обмен растений
в сторону более интенсивного образования транспортных сахаров,
активно участвующих в обменных процессах. Коротковолновой свет
активизирует процессы полимеризации углеводных мономеров в
конечные продукты метаболизма — гемицеллюлозу и целлюлозу (Ю.
В. Терентьев и др., 1982).
Различия в химическом составе, обусловленные погодными
факторами, сказываются и на качестве семян. Сухая и теплая погода
при восковой спелости способствует сокращению периода покоя семян
пшеницы, а влажная и холодная — увеличению его
продолжительности. После восковой спелости физиологическая
активность ■ семян затухает и их устойчивость ослабляется. При этом
как осадки, так и температура при их неблагоприятном проявлении
оказывают более пагубное воздействие на семена.
Установлено, что оптимальным количеством осадков в период от
начала восковой спелости до уборки является, не более 40 мм, а
оптимальной температурой воздуха — 19—23 °C. Из этого вытекает
важный для семеноводства вывод: необходимо принимать все меры
для того, чтобы начиная с середины восковой спелости семенные
участки находились как можно меньше на корню или в валках.
С учетом зависимости посевных и урожайных свойств семян от
почвенно-климатических условий в регионах России выделяют зоны
оптимального семеноводства.
7.18.
ФИЗИОЛОГИЯ ПОКОЯ И ПРОРАСТАНИЯ СЕМЯН
Типы покоя семян и факторы, их обусловливающие. Покой
семян относится к завершающей фазе эмбрионального периода
онтогенеза. Основным биологическим процессом, наблюдаемым при
органическом покое семян, является их физиологическое дозревание,
вследствие которого происходят структурные и биохимические
превращения и семена приобретают способность к активному
прорастанию. Этот процесс может осуществляться в доуборочный
период на материнском растении (часто отмечается у озимых), при
хранении (у яровых) и даже в почве после посева (у женьшеня).
Покой бывает вынужденным и органическим. Причиной вынужденного покоя являются различные факторы внешней среды,
препятствующие прорастанию, чаще всего неблагоприятная
температура или недостаток влаги.
При органическом покое семена в зрелом состоянии не способны
прорастать даже при благоприятных условиях. Задержка прорастания
при этом вызывается свойствами зародыша или тканей, окружающих
его, а именно: эндосперма, семенной кожуры, а также околоплодника.
Все проявления органического покоя делят на три группы: экзогенный,
эндогенный и комбинированный.
Экзогенный покой. Физический экзогенный покой обусловлен
водонепроницаемостью кожуры, имеющей развитую кутикулу и слой
палисадных клеток. Такие семена называются твердыми (люпин,
люцерна, лядвинец и др.).
Механический экзогенный покой связывается с механическим
препятствием прорастанию, создаваемым околоплодником или его
внутренней частью (скорлупа лещины, косточки многих плодов).
Удаление скорлупы ускоряет прорастание семян.
Химический экзогенный покой вызывается содержащимися в
семенах ингибиторами, предотвращающими их прорастание в
неблагоприятных условиях. В числе ингибиторов околоплодника таких
семян обнаружены различные фенольные соединения — салициловая,
оксибензойная, коричная, а также абсцизовая кислоты. Удаление
околоплодника или промывание плодов обеспечивает активное
прорастание семян. Наблюдается у свеклы, ясеня и др.
~
Эндогенный покой. Морфологический эндогенный покой
обусловлен недоразвитостью зародыша. Семена могут прорастать
только после завершения развития эмбриона. Указанному процессу
способствует теплая стратификация, которая может длиться несколько
месяцев. Распространен у свеклы, ясеня и др.
Физиологический эндогенный покой обусловлен пониженной
активностью зародыша, которая в сочетании с ухудшением газообмена
покровов создает физиологический механизм торможения прорастания
семян. Физиологический покой делится на три типа: неглубокий,
глубокий и промежуточный.
Неглубокий покой проявляется во временной задержке прорастания
или определенном снижении всхожести. Он характерен для многих
культурных растений (пшеница, ячмень, подсолнечник, салат и др.).
Хранение таких семян, проращивание в условиях переменных
температур и действие света при набухании способствуют
прекращению покоя. Активизируют прорастание семян также
повреждение покровов семени и обработка цитокининами,
гиббереллинами, тиомочевиной и другими веществами.
Глубокий покой отличается тем, что зародыш, хотя и трогается в
рост, но прорастание проходит замедленно и ненормально. Покой
снимается лишь при длительной холодной стратификации семян.
Характерен для многих плодовых и некоторых травянистых растений.
При промежуточном покое в отличие от глубокого извлеченные из
семян зародыши прорастают более активно, однако с частыми
аномалиями. Активизируется прорастание семян при длительной
стратификации, сухом хранении и обработке гиббереллинами.
Прекращение покоя семян. У большинства возделываемых растений покой семян снимается в процессе послеуборочного дозревания.
У некоторых видов естественное физиологическое дозревание
протекает в течение длительного времени, что затрудняет
возделывание растений. Для снятия покоя используют структурные,
физические и химические факторы воздействия на семена.
К структурным, или механическим, приемам стимулирования
прорастания относятся скарификация, импакция, локальное повреждение покровов семени, препарирование оболочек, отчуждение
зародышей. При этом облегчается доступ воды и кислорода к
зародышу, к тому же прорастающий зародыш изолируется от действия
эндогенных факторов покоя, в первую очередь ингибиторов.
Скарификация, представляющая механическое повреждение
водонепроницаемых покровов семени, проводится вручную или с
помощью специальных механизмов. В последнем случае из-за
механического воздействия снижаются биологические свойства семян,
часть из них теряет жизнеспособность. Импакция основана на ударах
семян друг о друга и о стенки заключающего их сосуда. При этом
нарушается кожура в важной для прорастания части семян — в области
рубчика, травмирование же самого семени не наблюдается.
Из других приемов применяют накалывание кожуры в области
зародыша, снятие кожуры и отделение зародышей от эндосперма.
Установлено, что зародыши озимой пшеницы наклевываются при
посеве целых семян за 24—30 ч, зерновок без оболочек — за 19, а
изолированные зародыши — через 10—12 ч после помещения их во
влажную среду (Н. М. Макрушин, В. А. Капица, 1973).
Физические факторы нарушения покоя семян. Температур а.
Оказывает влияние как на первичный, так и на вторичный покой.
Выводить семена из состояния покоя можно как более высокими, так и
более низкими температурами или их переменным действием.
Особенность семян, нуждающихся в действии низких температур,
состоит в том, что мобилизация запасных питательных веществ и
прорастание разделены во времени: гидролиз белков и жиров
предшествует троганию зародышей в рост. Температурные же
оптимумы обоих процессов в большинстве случаев различны.
Наиболее распространенной термической обработкой семян
древесных и некоторых овощных и лекарственных растений является
холодная стратификация. В зависимости от места выращивания семян
условия стратификации неодинаковы. Так, стратификация семян
северной репродукции проходит наиболее успешно при 0—3 °C,
семена более южного происхождения могут выйти из состояния покоя
при температуре 5—7 °C (М. Г. Николаева, С. Ф. Лящук, 1981).
Озимые злаки обладают коротким периодом физиологического
дозревания семян, однако в условиях прохладной погоды при их
формировании на материнском растении обнаруживают пониженную
лабораторную всхожесть при высокой жизнеспособности. Для
определения истинной всхожести необходимо вывести семена из
неглубокого покоя. Это достигают действием переменных температур
на набухшие семена. При более низких (10—15 °C) температурах
семена выдерживают в течение 16 ч, а при высоких (20 °C) — 8 ч.
Данный метод широко распространен в практике семенного контроля.
При обогреве семян в течение 1 ч при 60 °C их всхожесть
повышалась. Однако сушка семян озимой вики при 40 °C приводила к
увеличению твердосемянности более чем в 3 раза по сравнению с
сушкой при 20 °C (Л. А. Пельцих, И. Л. Пельцих, 1980). Обогрев семян
арбуза сорта Таврический в условиях степного Крыма при температуре
50 °C в течение 4 ч повысил дружность всходов на 41 %.
Отмечена высокая эффективность замачивания семян в горячей
воде при температуре 80—85 °C в течение 10 мин для преодоления
твердосемянности древесных растений. Особо твердые семена
рекомендуют обрабатывать кипятком от нескольких секунд до
нескольких минут.
Вода. Важнейшее условие и в большинстве случаев лимитирующий
фактор прорастания семян. Однако избыток влаги, как правило,
оказывает негативное влияние на них. Пребывание в воде
неблагоприятно сказывается на прорастании семян большинства
крупноплодных видов бобовых. Избыток воды между семядолями
теснит осевые органы зародышей, кроме того, пузырьки воздуха и
кислород, попадающие с водой при замачивании семян, усугубляют
эти повреждения. Семена различных растений обладают
определенным оптимумом влаги для набухания и прорастания.
Состав газовой среды. Для начала прорастания семян кислород
требуется в очень малых количествах, поэтому считается, что этот
элемент нужен не в качестве фактора нарушения покоя семян, а для его
индукции. Ухудшение аэрации во время перерыва стратификации
препятствует индуцированию вторичного покоя семян. В то же время
повышение концентрации диоксида углерода при достаточном
содержании в атмосфере кислорода не препятствует возникновению в
семенах вторичного покоя. Повышенные концентрации СО2 могут
нарушить покой семян различных видов. Слишком высокое
содержание СО2 может сильно замедлить и даже приостановить рост
после накле- вывания зародыша.
В Московской сельскохозяйственной академии имени К. А.
Тимирязева разработан метод предпосевной обработки семян,
заключающийся в выдерживании их в воде, постоянно аэрируемой
кислородом или воздухом. Он получил название «барботирование» (П.
Ф. Коненков, В. Н. Губкин, 1986).
Свет. Фитохром контролирует прорастание семян и цветение,
ускоряя катаболический распад полисахаридов, липидов и белков.
Влияние химических факторов на покой семян. Прорастание
семян регулируется фитогормонами. Гибберелловая кислота стимулирует прорастание семян, находящихся в эндогенном физиологическом покое, и в меньшей степени влияет на экзогенный покой.
Гиббереллины проявляют способность стимулировать до- развитие
зародыша в семенах, находящихся в морфологическом покое.
Важнейшее звено механизма действия гиббереллинов в прорастающих
семенах — стимуляция активности гидролитических ферментов в
алейроновом слое.
Цитокинины способствуют прорастанию светочувствительных
семян в темноте, инактивируют ингибирующее действие абсцизовой
кислоты на семена и зародыши (М. Г. Николаева, 1982).
Абсцизовая кислота оказывает ингибирующее влияние на прорастание покоящихся семян. По мере выхода из состояния покоя у
семян проявляется способность инактивировать действие экзогенной и
снижать содержание эндогенной абсцизовой кислоты.
Процессы, протекающие при прорастании семян. При прорастании семян выделяют следующие фазы.
Поглощение воды — сухие семена, находящиеся в состоянии покоя,
поглощают воду из воздуха или какого-либо субстрата до наступления
критической влажности. Этот показатель составляет для проса 25 %,
кукурузы — 44, пшеницы — 40, гречихи — 47, ячменя — 48,
подсолнечника — 57, ржи — 58, овса — 60, вики — 75, фасоли — 104,
гороха, бобов — 107, сахарной свеклы — 120 % на воздушно-сухую
массу семян. Основу фазы водопоглощения составляют физико-
химические явления, сорбция, однако при этом происходят некоторые
биохимические превращения, связанные с включением в структуру
кислот дополнительных молекул воды.
Набухание начинается, когда семена достигают влажности выше
критической. За счет поступающей влаги активизируется
жизнедеятельность клеток, их ферментативные системы переходят в
активное состояние, усиливаются гидролитические процессы,
происходит
перестройка
коллоидов,
сильно
увеличивается
дыхательный коэффициент.
Рост первичных корешков отмечается с момента деления их клеток.
Морфологически он фиксируется при появлении над оболочкой семени
первичного корешка, т. е. при наклевывании. При этом рост корешка
обеспечивается в основном за счет собственных веществ зародыша.
Развитие ростка начинается с его появления и происходит за счет
использования запасных веществ эндосперма (гетеротрофная
эндоспермальная фаза питания). Завершается эта фаза с появлением у
проростка сформированного колеоптиля (у злаков) или почечки (у
других культур).
Становление проростка — заключительная фаза прорастания
семян, продолжается до перехода его к полному автотрофному
питанию.
Приведенная классификация рассматривается с агрономической
точки зрения, ее использование позволяет давать оценку семенам,
наиболее отвечающую производственным целям.
При прорастании семян активно происходит мобилизация запасных
веществ. Уже через 2—3 сут наблюдается гидролитическое
расщепление значительной части крахмала под влиянием ферментов
амилаз с последовательным образованием декстринов, мальтозы и
конечного продукта — глюкозы. Последняя является основным
субстратом для дыхания растений.
Липиды, содержащиеся в зародыше, эндосперме или семядолях,
также
подвергаются
гидролитическому
расщеплению
при
каталитическом воздействии другой группы ферментов — липаз и
фосфорилаз. Продуктами гидролиза являются жирные кислоты и
глицерин, которые далее подвергаются окислительному распаду и
другим превращениям. Образующиеся в процессе их окисления
молекулы ацетил-КоА вовлекаются в цикл трикарбоновых кислот. В
прорастающих семенах липиды довольно быстро превращаются в
углеводы. Так, в начале прорастания подсолнечника количество жиров
и жирных кислот в 100 семянках составляло 4 г, на 7-й день
прорастания их оставалось лишь 1,5 г. Содержание же сахаров при этом
увеличилось почти вдвое.
Схема распада запасных белков при прорастании семян представлена С. М. Бреем (рис. 144). В процессе гидролиза белков
протеазами образуются аминокислоты, которые служат источником
углерода и азота для синтеза белков и других азотистых соединений в
клетках развивающегося проростка. В тканях проростка имеются все
необходимые ферменты, чтобы обеспечить метаболическое
взаимопревращение аминокислот путем пере- аминирования и
дезаминирования и таким образом создать фонд аминокислот,
отвечающих потребностям растения на данном этапе его развития.
Центром синтеза ферментов у семян злаковых является щиток
зародыша. Синтез амилаз, липаз и протеаз в щитке активируется при
набухании семян, что и обеспечивает утилизацию крахмала,
ЗАПАСАЮЩАЯ
АРГИНИН
Белковое тело
ТКАНЬ
гидролиз Т протеазами
ЗАПАСНОЙ БЕЛОК
аргиназа
МОЧЕВИНА
СО2
перераспределен ие перераспределение
ГЛУТАМАТ NH3 АМИНО-N ' В
АМИНО-N
ГЛУТАМИН
В ГЛУТАМИН
глутамин синтетаза
у-АМИНО- ПРОЛИН ГЛУТАМИН
БУТИРАТ
транспорт
транспорт
транспорт
У-АМИНО- ПРОЛИН
БУТИРАТ
транспорт
транспорт
ГЛУТАМИН АМИНО
КИСЛОТЫ
ГЛУТАМИН ПРОЛИН
Метаболически
е
взаимопревращени
я
ПРОЦЕССЫ ■<— УГЛЕРОДНЫЕ
СКЕЛЕТЫ
БИОСИНТЕЗА
ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ
ДРУГИЕ
АЗОТИСТЫЕ
СОЕДИНЕНИЯ
СТРУКТУРНЫЕ И
ФЕРМЕНТНЫЕ БЕЛКИ
ФОНД —
АМИНОКИСЛОТ
АМИНОКИСЛОТЫ ГЛУТАМИН РОЛИН
(РАСТУЩИЙ ПРОРОСТОК)
Рис. 144. Распад запасных белков при прорастании семян (по С. М. Брею, 1986)
липидов и белков, содержащихся в эндосперме и алейроновом слое.
Содержание нуклеиновых кислот при прорастании семян в
зародыше и проростке увеличивается. Так, в четырехсуточных
проростках ржи сорта Белта абсолютное содержание РНК по
сравнению с сухими семенами увеличивалось в 2,6 раза, а ДНК — в 3
раза. Особенно большое количество нуклеиновых кислот находится в
прорастающем зародыше.
Проростки получают из запасных веществ семян в гетеротрофный
период развития также и минеральное питание. Например, при
прорастании семян овса росток активно потребляет калий, фосфор,
магний и азот эндосперма.
Неорганический фосфор в семенах содержится в небольшом
количестве, а поэтому для обеспечения процесса прорастания семян
его недостаточно. Основным источником фосфатов является фитин,
который имеется в значительных количествах в семенах всех видов
растений (К. Е. Овчаров, 1976).
Гидролиз фитина катализируется ферментом фитазой и происходит с большой активностью. При прорастании семян ржи,
пшеницы, ячменя и кукурузы запас фитина полностью используется
за 5—8 дней, а у овса — за 2 недели (А. М. Соболев, 1962). Фитаза
наиболее активна в семядолях бобовых и в эндосперме злаков.
Дыхание как основной энергетический процесс в
прорастающих семенах. Характер дыхания хорошо отражает
величина дыхательного коэффициента (ДК). При прорастании
крахмалистых семян злаков ДК бывает близким к единице, масличных
и высокобелковых составляет 0,6—0,8. Дыхание сопровождается
уменьшением массы семян вследствие расхода органических веществ,
изменением состава окружающей среды (поглощение кислорода и
выделение углекислоты), выделением влаги и теплоты. Эти процессы
важно учитывать как при создании условий для прорастания семян,
так и для их хранения.
Интенсивность дыхания по мере прорастания усиливается. В
опытах Крымского СХИ этот показатель у разных фракций семян
гибрида кукурузы Краснодарский 303 ТВ составлял: у сухих семян —
0,005—0,025 мг СОз/г сухого вещества за 1 ч, через 20 ч
проращивания — 0,20—0,60, через 40 ч — 0,31—1,05 и через 60 ч —
1,22—2,06 мг СОз/г сухого вещества за 1 ч.
Дыхание прорастающих семян подвергается влиянию ряда
внутренних и внешних факторов. В зависимости от плотности
покровов семени прорастание может происходить при недостатке
кислорода, т. е. в условиях, близких к анаэробным. С прорывом
кожуры проросток полностью переходит на аэробное дыхание.
Самой высокой энергией дыхания обладают семена масличных
культур, затем кукурузы и других злаков. Слабее дышат семена
гречихи и бобовых. При влажности 16 % семена пшеницы выделяют
0,90 мг СО2 на 100 г сухого вещества, а гороха — только 0,08 мг. При
увеличении содержания жира у разных сортов подсолнечника с 30,2
до 46,7 % интенсивность дыхания повысилась в 6,5 раза. Зародыши
семян злаков, имеющие высокую концентрацию веществ, а также
повышенную влажность, дышат в 12 раз интенсивнее, чем целая
зерновка. По Л. А. Трисвятско- му, у нетравмированных семян
интенсивность дыхания в 3 раза слабее, чем у поврежденных.
7.19.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХРАНЕНИЯ СЕМЯН,
ПЛОДОВ, ОВОЩЕЙ, СОЧНЫХ И ГРУБЫХ КОРМОВ
Важнейшими факторами, влияющими на сохранность семян,
плодов, овощей и кормов, являются влажность, температура, газовый
состав воздуха, наличие инфекции и вредителей, а также состояние
самих растительных материалов.
Сухие семена в сухом состоянии расходуют на дыхание ничтожно
малое количество органического вещества: при влажности 11—12 %
семена зерновых теряют 0,2 % за несколько лет, а гороха — 0,001 %
своей первоначальной массы. При влажности около 20 % эти потери
доходят до 0,8 % за месяц хранения. При повышении влажности семян
интенсивность их дыхания значительно возрастает. По данным В. Л.
Кретовича и др. (1981), при влажности семян яровой пшеницы 14,4 %
на 100 г сухого вещества за сутки кис
