Многие физиологи, начиная от Дж. Б. Буссенго, различным образом подходили к изучению физиологии бобовых растений и по-разному объясняли процессы фиксации молекулярного азота клубеньковыми бактериями. Так, было установлено, что процессы накопления азота в клубеньках протекают следующим образом: с начала образования клубеньков на корнях растения, что приурочено к моменту появления первых листочков, и до полного цветения запас азота в клубеньках увеличивается, а после цветения резко убывает. Фаза цветения бобового растения является переломным пунктом развития растения и жизнедеятельности клубеньковых бактерий. Характер физиологических и биохимических процессов, которые протекают в бобовом растении до цветения и после него, является весьма различным. Бактерии, поселяясь в корневой паренхиме бобовых растений, фиксируют молекулярный азот из воздуха и переводят его в белковые вещества. Но через некоторый период под влиянием растения бактерии переходят в бактероидную форму, и с этого момента фиксация азота резко падает и совсем приостанавливается. Таким образом, активный период жизнедеятельности клубеньковых бактерий, в смысле фиксации ими азота воздуха, ограничивается 50-60 днями из общего вегетационного периода однолетних бобовых, равного 100-120 дням, а многолетних бобовых — 180-200 и больше дням.
Факторы, обуславливающие повышенную фиксацию азота клубеньковыми бактериями, до сих пор остаются еще недостаточно изученными. Неизвестны также возможные внутренние причины, тормозящие жизнедеятельность бобового растения и клубеньковых бактерий, поселяющихся на корневой системе их. Следует отметить также, что такое сложное биологическое явление, как сожительство клубеньковых бактерий с бобовыми растениями и процессы фиксации ими молекулярного азота, многие ученые пытались свести к чисто химическим явлениям.
Е. Д. Фред отмечает, что жизнедеятельность клубеньковых бактерий начинается в самых ранних стадиях развития растений, вместе с началом фотосинтеза их. Это свидетельствует о том, что для жизнедеятельности бактерии требуется энергетический материал, который доставляет для них зеленое растение в виде продуктов фотосинтеза.
У бобовых очень высокая скорость ассимиляции, которая в 2-3 раза выше, чем у небобовых растений (Костычев С. П., 1933 г.). Высокая интенсивность фотосинтеза бобовых обеспечивает полностью потребность в углеводах и растения и клубеньковых бактерий.
Гильтнер установил, что клубеньковые бактерии обладают двумя основными свойствами по отношению к бобовым растениям: первое — вирулентность, то есть способность бактерий проникать в корневые ткани растения, размножаться в корневых клубеньках, и второе — эффективность (активность) или способность бактерий фиксировать молекулярный азот воздуха. Эти свойства, как показали исследования Н. А. Красильникова, А. И. Кореняко, М. В. Лопатиной, А. Г. Конокотиной, Ф. Ю. Гельдер и других, не у всех бактерий и не при любых условиях взаимно выгодно сочетаются. Бактерии иногда могут проникать в корень растения, образовывать клубеньки и не фиксировать азота, а развиваться за счет растения. Н. А. Яшнова в своих исследованиях показала, что наиболее активные расы клубеньковых бактерий развиваются на окультуренных почвах.
Работы В. П. Израильского, Е. Д. Фреда и других показали, что активность клубеньковых бактерий можно усилить путем пассажа их через растение.
Наши опыты по чеканке люпина, клевера и исследованию азотного обмена в нормально развивающихся и чеканенных растениях показали, что таким путем также можно усиливать активность клубеньковых бактерий по азотофиксации. Если цветущее растение люпина накапливает в сутки 4,2 мг общего азота, то растения с удаленными бутонами за этот период накапливают по 16,98 мг его. Эти данные позже послужили основанием для выращивания в специальных питомниках более активных местных рас клубеньковых бактерий, а также для разработки нового агротехнического приема чеканки бобовых растений.
Необходимо отметить, что почти весь запас связанного азота на земной поверхности представляет собой результат процессов биохимического усваивания его из воздуха и, несмотря на огромные успехи технического синтеза, биологический азот в земледелии имеет и на сегодня колоссальное практическое значение.
Дж. Б. Буссенго, проводивший обширные физиологические исследования с бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями, высказал следующую мысль: «Вопрос о бобовых есть вопрос об азоте, вопрос об его утилизации из единственного дарового источника — из воздуха».
Потребность в азоте нашего социалистического земледелия с каждым годом возрастает. Рост площадей под сахарной свеклой, кукурузой, хлопчатником, картофелем и зерновыми культурами и борьба за их высокую урожайность предъявляют все большие требования в деле снабжения их азотными удобрениями.
Д. Н. Прянишников, посвятивший биологическому азоту большое количество своих научных работ, приводит следующие цифры по содержанию его в воздухе: столб атмосферного воздуха над одной десятиной содержит 5 млн. пудов азота, то есть количество азота, заключающегося в 30 млн. пудов селитры. Однако те способы технического связывания молекулярного азота воздуха, которые имеются в нашем распоряжении (с помощью электричества для получения окислов азота или способа Габера — связывание азота с водородом при высокой температуре и высоком давлении), характеризуются огромными затратами электрической и тепловой энергии.
Клубеньковые бактерии, поселяющиеся на корнях бобовых растений, за вегетационный период при обыкновенных условиях температуры и атмосферного давления могут связать 180-200 кг азота на площади в 1 га (в корневой системе и надземной массе).
Академик Д. Н. Прянишников неоднократно подчеркивал, что биологический азот, то есть связанный бактериями и растением, значительно дешевле, чем технический, полученный на заводе. Так, 1 га люпина, удобренного фосфором и калием, может дать 160-200 кг азота, а 200 тыс. га посевов его могут связать 30 тыс. т азота в год, или столько, сколько дает его мощный азотный комбинат за это время.
Одним из первых доказательств фиксации молекулярного азота клубеньковыми бактериями были опыты Шлезинга и Лорана, которые путем газового анализа установили, что увеличение азота в бобовых растениях за три месяца как раз соответствует величине убыли его из воздуха (табл. 1).

Эти данные относятся к растениям гороха, на корнях которых были развиты клубеньки. В растениях, не имевших на своих корнях клубеньков, не было прибыли азота, не изменялось количество его и в воздухе.
Для доказательства того, что клубеньковые бактерии усваивают азот из воздуха почвы, П. С. Коссович освобождал почву, где росли бобовые растения, от этого элемента, заменяя его смесью газообразного кислорода и водорода. Горох в такой почве не развивался.
В механизме связывания азота клубеньковыми бактериями до сих пор есть еще много неясного. Начало исследованиям по химизму фиксации молекулярного азота воздуха бактериями положено русским ученым С. Н. Виноградским, который в 1894 г. в Москве на съезде естествоиспытателей и врачей сообщил о том, что ему удалось выделить из почвы анаэробные бактерии, названные им Clostridium basterianum, которые развивались на без азотистых средах, используя в качестве источника энергии углеводы, и фиксировали молекулярный азот воздуха. С. Н. Виноградский в 1941 г. в статье «Об энзиматическом синтезе аммиака в почве и в воде» пишет: «Азотобактер в первую очередь образует энзиматическую систему — азогидразу, которая служит катализатором при синтезе аммиака. Часть образуемого аммиака, в соответствии с количеством получаемого углеродного питания, связывается клетками, остальное выделяется наружу».
Академик А. Н. Бах в 1935 г. в статье «О химии связывания азота азотобактером» сделал вывод, что процесс связывания молекулярного азота азотобактером является энзиматическим. Однако последующая проверка этих выводов самим автором и другими исследователями показала, что азотофиксация молекулярного азота бактериями связана с их развитием и представляет собой жизненное явление, а не энзиматическое. Что касается химической природы и механизма процесса фиксации молекулярного азота воздуха клубеньковыми бактериями, то есть все основания говорить об аналогии их с химизмом процесса связывания молекулярного азота азотобактером или другими азотофиксирующими бактериями.
На вопрос, следует ли считать твердо установленной неспособность чистых культур клубеньковых бактерий фиксировать азот, С. Н. Виноградский отвечает: «Конечно, нет, так как ее всегда можно объяснить нашим незнанием каких-то особых условий, без которых процесс не идет. Весьма возможно, что растение снабжает своего симбионта не только известными микробиологу энергетическими и пластическими веществами, но и еще чем-то, не известным пока микробиологу, — энзимом или коэнзимом».
В опытах G. Н. Виноградского и Е. Г. Виноградской показано, что только корни гороха с большим количеством клубеньков способны выделять азот аммиака. Корни кукурузы и гороха без клубеньков не выделяют его.
Исследования Маттироло, Д. А. Сабинина, Е. Г. Мининой и Виларда показали, что существует определенная зависимость жизнедеятельности клубеньковых бактерий от возрастных изменений бобовых растений.
Для жизнедеятельности клубеньковых бактерий, которые биологически связаны с высшими зелеными растениями, имеет большое значение способ культуры последних. Совершенно очевидно, что в зависимости от того, культивируется бобовое растение на сено или семена, используется бобовая трава в один укос или в два и больше, мы имеем дело с различным физиологическим состоянием растений.
Следует отметить, что вопрос о роли репродуктивной фазы в азотном обмене бобовых растений и клубеньков недостаточно исследован и очень слабо освещен в литературе. В связи с этим свои исследования мы начали с изучения влияния цветков и листьев растений на жизнедеятельность клубеньковых бактерий.
У растений, которые мы кастрировали путем систематического удаления цветков, не допуская до плодоношения, запас азота в клубеньках увеличился и надземная масса их и корни при этом сильно развивались. В это же время у ллодоносящих растений запасы азота в клубеньках начали заметно убывать уже с начала цветения.
В исследованиях Маттироло наблюдалось сильное влияние удаления цветков на характер развития клубеньков у белого люпина (табл. 2). Количество клубеньков и их вес в кастрированных растениях были в 5 раз выше, чем у плодоносящих растений.

Процентное содержание азота в клубеньках также значительно повышалось под влиянием удаления цветков у растений кормовых бобов (табл. 3).

В своих выводах автор отмечает, что удаление цветков у бобового растения вызывает исключительно сильное развитие вегетативной массы — в 3-4 раза больше, чем в цветущих.
Вес корней у кастрированных растений также в 4-5 раз выше, чем у плодоносящих. У растениях с удаленными цветками увеличивается количество клубеньков и, что особенно важно, существует определенная зависимость между развитием репродуктивных органов и характером клубеньков, их весом и накоплением в них азота.
Данные опытов Маттироло представляют большой интерес для понимания взаимозависимости между клубеньковыми бактериями и бобовыми растениями. Но хотя учет автор производил в несколько сроков, все же эти сроки относятся к одной фазе развития растений, и поэтому нельзя представить процесса возрастных изменений на протяжении всей вегетации.
Установить же динамику усвоения азота бактериями, ход этого процесса и зависимость его от фазы развития растений можно только при большом числе сроков уборки их и учете возрастных изменений содержания сухого вещества и азота в разных частях растения и в клубеньках за весь вегетационный период.
Растения на протяжении своей вегетации проходят целый ряд отдельных стадий и фаз и в процессе развития претерпевают при этом как количественные, так и качественные изменения, и было бы большой методической ошибкой не учитывать этих изменений при изучении их физиологии.
Как развивающийся организм растение на разных этапах своего развития по-разному реагирует на внешние условия — свет, температуру, влажность, питание и другие воздействия.
Бутонизация и цветение представляют собой отдельные фазы в росте и развитии люпина и являются как бы подготовительным этапом в переходе растения к плодоношению. Эти фазы связаны с глубокими изменениями физиологических и биохимических процессов, протекающих в листьях, стеблях, корневой системе и в клубеньках люпина.
Клубеньковые бактерии по своей физиологии являются гетеротрофными организмами и в симбиозе с высшим растением получают от последнего энергетический материал в виде углеводов и органических кислот.
Г. Торнтон в своих исследованиях показал, что клубеньковые бактерии не проникают в корень бобового растения до тех пор, пока на нем не разовьется первый листок. Изучая этот вопрос, Торнтон в своих опытах заметил очень резкое влияние корней старых растений на образование клубеньков на молодых корешках. Так, на корнях 50 молодых проростков люцерны с первым едва развившимся листочком без старых корней образовалось всего лишь по 5,5 клубенька, а на таком же количестве проростков, где были корни старых растений, образовалось в среднем по 36,5 клубенька на одно растение.
Следовательно, наличие в среде корней более старых растений способствует развитию клубеньков на корнях молодых.
Из этого вытекает предположение, что корни более старых растений выделяют в наружную среду особые вещества (органические кислоты, гормоны), которые стимулируют образование клубеньков на корнях молодых растений.
Многочисленные исследования условий проникновения, образования и развития клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений подтверждают положение о том, что органические вещества и, в первую очередь, растворимые углеводы, органические кислоты и гормоны, образующиеся в растениях, играют важную роль в развитии и жизнедеятельности клубеньковых бактерий.

---

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:

Добавить