Симбиоз с микроорганизмами — основа жизни растений - Фаня Юрьевна Гельцер

Ф. В. Турчин (1959), изучая механизм азотфиксации бобовых культур с 15N, пришел к выводу, что этот процесс осуществляется в клетках клубеньковой ткани под влиянием ферментов клубеньковых бактерий, но в таком случае бактерии могли бы в чистых культурах сами фиксировать атмосферный азот. При современном состоянии науки можно утверждать, что ферменты, на которые указывал Ф. В. Турчин, синтезируют в клубеньках эндофиты, так как их наличие в развитых клубеньках можно считать установленным фактом. В дальнейшем, продолжая эти исследования с сотрудниками З. Н. Берсеневой и Г, Г. Жидких, Ф. В. Турчин (1963) пришел к выводу о способности к азотфиксации ферментов, выделенных не только из клубеньков, но и из листьев и корней как бобовых, так и небобовых растений, что указывает на возможность усвоения атмосферного азота всеми растениями, хотя и в различной степени. Для того чтобы достоверность данного вывода стала достоянием пауки, необходимо установить недостающие звенья этой цепи, т. е. тот основной микроорганизм, ферменты которого способствуют азотфиксации растений.

Переходя к главной теме этой главы, мы хотели бы отметить, что выявление нами двух микроорганизмов в клубеньках бобовых растений открывает новые возможности для активизации процесса их азотфиксации. Вместо обычно рекомендуемых обработок семян бобовых культур соответствующими нитрагинами, нужно повысить вирулентность и активность клубеньковых бактерий, усиливая микотрофность этих культур путем опрыскивания семян гормональными препаратами, изготовляемыми из чистых культур эндофитов (например, Симбионтом 1 или Симбионтом 2). Добавление к ним микродоз молибдена усилит получаемый эффект, так же как и повторное применение такой обработки семян в потомстве данной культуры.

В природных условиях роль бобовых растений в обогащении целинных почв азотом невелика. Даже в степной зоне, растительность которой создала самые богатые по содержанию азота черноземные почвы, количество бобовых растений не превышает, в травостое более 5% (Лаврененко и Прозоровский, 1939). Многие исследователи приходили к заключению, что не только бобовые, но и растения других семейств обладают способностью усваивать атмосферный азот. Однако, поскольку они не указывали на участие определенных микроорганизмов, ответственных за данный процесс, наука не признавала это положение доказанным.

X. Шандерль (Schanderl, 1942) на основании точных учетов баланса азота в сосудах установил, что подсолнечник за вегетационный период может фиксировать из воздуха 613 мг азота на сосуд, ирисы — 539, а клевер и фасоль — только 384 и 321 мг. X. Шандерль считал, что не только бобовые, но и другие растения в симбиозе с неизвестными организмами способны усваивать азот из воздуха.

Большой интерес представляет изучение баланса азота у длительно растущих многолетних растений в природных условиях. Так, Э. Рассел (1955), директор Ротемстедской опытной станции в Англии, привел данные о накоплении азота за 20 лет в залежи, которая на 86% состояла из щучки (Deschampsia caespitosa Р. В.) при почти полном отсутствии бобовых в травостое. При невысоком содержании извести в почве ежегодная прибавка азота достигала 67 кг/га, а на карбонатной почве — 103 кг/га. Ниже мы покажем, что для нового азотфиксирующего микроорганизма рН среды имеет большое значение. Рассел отметил, что «симбиотическая фиксация азота, возможно, не ограничивается одними только бобовыми растениями, хотя в сельском хозяйстве они являются единственными важными азотфиксирующими культурами» (с. 298). Очевидно, большое значение имеет длительное существование многолетних растений на одном месте.

А. В. Соколов (1956) в заповедной степи установил накопление азота в слое 0-50 см черноземных почв в размере 17,5-26,5 т/га при наличии только 5% бобовых в травостое. Нами было установлено наиболее высокое содержание азота в типичном сероземе: 0,2% азота накопилось в многолетней орошаемой залежи, состоящей из чистого злакового покрова с бобовыми (Гельцер, Ласукова, 1934).

Из данных, полученных с применением изотопа 15N, большой интерес представляют работы Греты Стевенсон (Stevenson, 1959) об азотфиксации у небобовых культур. Она доказала способность к азотфиксации у многих растений на бедных почвах в Новой Зеландии. В песчаных почвах, свободных от азотфиксирующих бактерий, ею наблюдалась ассимиляция l5N у сосны, зараженной микоризой, у сливы, ежи, кипрея и других растении. Доказанной азотфиксацией обладают все небобовые растения, имеющие на своих корнях клубеньки, заполненные эндофитами совместно с актиномицетами.

Большинство растений, способных к азотфиксации, живет на бедных песчаных, каменистых или торфяных почвах. Несмотря на многочисленность работ, посвященных выяснению видового состава микроорганизмов, населяющих клубеньки небобовых растений, ученые еще не пришли к единому выводу. В сводных статьях по этому вопросу приводятся данные о наличии в клубеньках септированных эндофитов, актиномицетов и бактерий. Более достоверными являются работы, авторы которых применили для изучения клубеньков электронную микроскопию. Ж. Беккинг, В. Бэр и А. Хоуинк (Becking, Boer, Houwink, 1964) установили, что в клубеньках ольхи имеются эндофиты в виде септированных гиф и их многочисленных везикул, как заполненных цитоплазмой, так и лишенных се, и актиномицеты.

В последние годы (1980-1982) группа авторов, возглавляемая И. II. Андреевой (Андреева и др., 1980), изучающая в электронном микроскопе развитие эндофитов в корнях облепихи, пытается доказать, что фиксация азота осуществляется везикулами, поскольку она слабо проявляется в мицелярной стадии развития эндофита и значительно увеличивается в период появления везикул. Совершенно очевидно, что это совпадение связано с общим состоянием развития эндофита, а не со способностью везикул к азотфиксации, которые являются не самостоятельными органами, а расширенной частью гифа гриба, служащей для накопления продуктов его синтеза белковой природы. Неправильным в статьях указанных авторов является определение симбионтов как «эндофит–актиномицет», тогда как это два разных организма, один из которых — актипомицет — выделяется всеми как чистая культура, а другой — эндофит — только при наличии гормональных веществ в питательной среде (Гельцер, Кузнецова, 1977).

Первичный почвообразовательный процесс на свежих глинистых отложениях начинается с развития сильно микотрофной мать–и–мачехи (Tussilago farfara L.), к которой обычно через несколько лет присоединяется пырей (Triticum re–pens L.). Проходит длительный период накопления азота и зольных элементов в поверхностном горизонте почвы до появления в травостое ползучего клевера (Trifolium repens L.) или других бобовых, которые очень требовательны к условиям среды. Изучение динамики накопления азота в глине, взятой из глубокой шахты метро и заросшей в первые годы мать–и–мачехой, а затем пыреем, показало, что за 16 лет верхний горизонт этой глины превратился в темноцветную дерновую почву. Первоначальное содержание в глине азота 0,010%» а после указанного срока оно составило в слое 0-5 см 0,093%, в слое 6-25 см — 0,049, 30-35 см — 0,019%. Это накопление азота произошло без всякого участия бобовых в травостое и при незначительном количестве азотобактера в верхнем горизонте — 10-20% комочков обрастания на гелевых пластинках.

Предварительный опыт по выращиванию проростков мать–и–мачехи в водной культуре с