АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛОРУССКОЙ ССР
Институт микробиологии
Семён Андреевич Самцевич
ГЕЛЕОБРАЗНЫЕ ВЫДЕЛЕНИЯ КОРНЕЙ РАСТЕНИЙ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ В ПЛОДОРОДИИ ПОЧВЫ
МИНСК
НАУКА И ТЕХНИКА
ПРЕДИСЛОВИЕ
Биологические науки и практика сельского хозяйства накопили значительный литературный багаж о природе корневых систем, их распространении и требованиях к окружающей среде. Однако многое в жизнедеятельности корней растений остается до сих пор неясным. Пробелы в этой области знаний привели кнедостаточному пониманию их роли в процессах образования гумуса и почвенном плодородии.
В настоящей работе обобщены литературные данные и собственные экспериментальные материалы автора о некоторых сторонах жизнедеятельности корневых систем растений, их взаимоотношениях с микроорганизмами почвы и связи с почвообразовательными процессами. На большом фактическом материале показано многогранное значение кончиков корней: их способность непрерывно увлажнять прикорневой слой почвы, уменьшать сопротивление продвижению корней в грунте, защищать корень от механических повреждений, усреднять реакцию почвенного раствора. Они способствуют увеличению контакта корневой системы счастицами почвы и, что особенно важно, активнозащищают себя от массового заселения микроорганизмами. Показано, что гелеобразные вещества, выделяемые во внешнюю среду кончиками корней, являются основным источником образования активногогумуса и способствуют агрегации почвы, т. е. созданию комковатой структуры.
Представляемые внастоящей брошюре материалы могут быть использованы для совершенство-вания методов обработки почвы, в практике селекции сельскохозяйственных растений, а также в научных разработках, направленных на повышение плодородия почв, синтез гумусовых соединений, улучшение роста растений.
ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ГЕЛЕОБРАЗНЫХ-ВЫДЕЛЕНИЙ КОРНЕЙ
О наличии слизистых гелеобразных выделений на поверхности и копчиках корней вегетирующих растений известнодавно, однако существенного значение этому не придавалось. И главная причина такого отношения заключалась в их бесцветности, высокой гидрофильности и незначительном количестве, что препятствовало обнаружению слизистых выделений в неокрашенном виде даже при большой разрешающейспособности микроскопа. Не последнюю роль сыграли также трудность их отчленения от поверхности корней, нерастворимость в воде.
Первым ученым, отметившим наличие корневых чехликов и гетерогенного слоя слизистых веществ на поверхности кончиков корней и корневых волосков и установившим их склеивание с мелкими частицами земли (50-е годы прошлого столетия), был, по всей вероятности, итальянец Гаспарини, который принимал их за продукты выделения растущих корневых волосков.
Присутствие слизистых выделений на кончинках растущих корней в дальнейшем подтвердил немецкий естествоиспытатель Шварц. Он обнаружил, что мелкие частицы почвы, прилипшие к поверхности кончиков корней, всегда заключены в особое «обволакивающее» вещество и не обладают способностью к броуновскому движению.
В 1878 г. Климент Аркадьевич Тимирязев писал: «Если мы посмотрим на кончик корня, который сам по себе всегда обнажен,...то нередко уже простым глазом, лучше в лупу, еще лучше в микроскоп, увидим, что он представляет беспорядочный, неопрятный вид. Он покрыт как бы колпачком несколькими рядами клеток, снаружи уже потерявших между собой связь и только слепленных каком-то слизью. Этот колпачок, или, как его обыкновенно называют, чехлик,—нечто иное, как наружные, отмирающие и начинающие уже разрушаться слои ткани, которые прикрывают и охраняют лежащую под ним молодую ткань конуса нарастания. Иногда этот чехликможно снять с верхушки корня, как палец перчатки. Физиологическое значение этого органа легко понять, он служит щитом, под прикрытием которого нежная растущая вершина корня пролагает себе путь в почве. Если бы вершина корня была обнажена, оканчиваясь самыми молодыми клетками, то он, очевидно, не мог бы исполнять своего назначения; только толкая перед собой чехлик, он в состоянии пробираться вперед между твердыми, грубыми и острыми частицами почвы».
К этому времени были сделаны и другие наблюдения: почвенные частицы некоторых почв способны склеиваться между собой, обеспечивая за счет этого комковатую структуру. Это относится прежде всего к чернозёмам, глине и перегною.
Более поздние исследования А. А. Исаковой показали, что неопробковевшие корни растений гороха и сорго обильно выделяют наружу коллоидные клейкие соединения, трудно отмываемые от растущих корней. У растений проса, относящегося к тому же семейству, что и сорго, они обнаружены не были. И интересно, что сорго и просо резко различаются по биохимической активности ризосфер.
Бесцветные слизистые выделения, оказывающие воздействие на труднорастворимые фосфаты почвы, были найдены на корневых волосках овса и гречихи. Большая масса подобных веществ находится на поверхности клеток водорослей.
Гуттенберг, исследуя поперечные срезы кончиков вегетирующих корней, обнаружил на поверхности меристематической зоны поперечный слой прозрачного, сильно преломляющего свет и не окрашивающегося гематоксилином вещества. В спирту этот слой сильно утончался, а при перенесении в воду вновь набухал. Происхождение его ученый связывал с ослизнением оболочек клеток внутреннего слоя корневых чехли ков и протодермы. В обычный микроскоп этот слой слизи выглядит гомогенным, под микроскопом с фазово-контрастным устройством имеет выраженный слоистый характер. Очевидно, слизистое вещество корневого чехлика смягчает трение корня о почвенные частицы и снабжает его влагой. Особенно большая масса бесцветных слизистых веществ находится, как показал' В. О. Таусон, на поверх-ности клеток водорослей.
В 1949 г. Н. Г. Холодный, исследуя окрашенные генцианвиолетом неповрежденные кончики корней кукурузы, выращиваемой во влажной воздушной камере с почвой, установил, что в прозрачном слое слизи, покрывающей растущую часть корня (7-8 мм), содержатся отдельные клетки или группы клеток, беспрерывно отчленяющихся от поверхности корневых чехликов. Эта часть корней, как правило, не была обсеменена микроорганизмами, в то время как вся остальная поверхность корневых волосков изобиловала микрофлорой.
Е. Ф. Березова, исследуя заселенность кончиков корней растений микроорганизмами с помо-щью метода обрастания стекол, не нашла их независимо от метода фиксации и окраски. Ходы корней постоянно оставались стерильными, в то время как наутолщенных обрывках корней и их корневых волос-ках микробы всегда развивались в большом количестве. Аналогичное явление наблюдали Е. X. Ремпе и Т.А. Сорокина при выращивании растений льна и пшеницы в нестерильных жидкий питательных средах. Микроорганизмы локализовались в основном в зоне корневых волосков, зона же корневых чехликов была почти свободна от бактерий.
Л. И. Курсанов, Н. А. Комарницкий и В. Ф. Раздорский, проводя исследования в этом направлении, нашли, что клетки наружного слоя корневого чехлика слущиваются и ослизняются,благодаря чему облегчается продвижение растущих корней и они предохраняются от повреждений остриями твердых частиц почвы.
С. В. Горгонова на примере студне- или слизеобразных веществ водорослей показала чрезвычайную их устойчивость, в том числе и к такому сильному воздействию, как кислотный и щелочной гидролиз. По ее мнению, прижизненное выделение клетками водоросли осциллятории органических веществ в окружающую среду — естественное явление, обеспечивающее осуществление необходимых жизненных процессов всего организма.
И. А. Геллер и Д. А, Табенцкий, применив обработку корней проростков растворами марганце-во-кислого калия и другими окислителями, установили, что поверхность неопробковевшей части корней во время активного их роста покрыта своеобразным многослойным чехлом из органических соединений, выделяемых Поверхностными тканями корней. Используя изотопным метод, они нашли, что органические соединения этих чехликов затормаживают поступление фосфатов в клетки корней; удаление их с помощью перманганата калия улучшает приток элементов питания в корни.
Последующие работы показали, что кончики корней многих сельскохозяйственных растений при активном росте выделяют прозрачное вещество коллоидного характера, образуя вокруг кончиков корней особые слизистые мешки. В неокрашенном виде они не заметны под микроскопом, но хорошо просматри-ваются при окраске слабым раствором метиленовой сини. В слизистом мешке отчетливо выявляется большое количество разного размера растительных клеток, беспрерывно отчленяемых корневыми чехликами. В частности, широкий слой прозрачного, сильно преломляющего свет и не окрашивающегося гематоксилином вещества на поверхности меристематической зоны корешков кукурузы и некоторых других сельско-хозяйственных растений наблюдал Д. А. Транковский.
Слизистые гелеобразные вещества, выделяемые неопробковевшнми корнями, некоторые зарубежные исследователи называют мицигелем или слизегелем; другие под этим названием понимают сильно гидратированные полисахариды.
При исследовании экскреций корней основное внимание уделялось выяснению их строения и химического состава. О значенииполисахаридов мицигеля для развития растенийи обогащения прикорневого слоя почвы органическими и другими веществами по существу ничего но известно. Интерес, как правило, вызывала жидкая фаза экскретов, а масса растительных клеток («осколков»), выделяемых из кончиков корней, обычно не учитывалась. Имеющиеся сведения о строении и составе корневых экскретов позволяют заключить, что в слизистом веществе на поверхности корневых чехликов присутствуют две различимые структуры — зернистая и волокнистая,— очевидно, следствие их разного происхождения.
По данным Джонса, мицигель - продукт экстрацеллюлярной секреции корневых чехликовкорней кукурузы — представляет собой в высокой степени гидролизованный кислый полисахарид, состоящий из глюкозы, галактозы, галактуроновой кислоты, рибозы и ксилозы в соотношении 14: 4: 5: 5: 2. По химическому составу секрет корневых чехликов близок к нецеллюлярной полисахаридной фракции клеточных стенок. В мицегеле содержится 80% полисахаридов, 6—8% белка, 9% зольных элементов и около 0,1% составляют нуклеиновые кислоты. Есть данные об обнаружении в кислом гидролизате мицигеля (корней кукурузы) уроновых кислот, галактозы, арабинозы, ксилозы, фукозы.
Широко известны в СССР и за рубежом работы А. М. Гродзинского по выделениям растений. Изучая прорастание семян, он наблюдал образование слизи, которая не задерживала процессы прорастания. «Слизь состоит, - пишет он, - в основном из полисахаридов, которые являются прекрасным субстратом для развития многих микроорганизмов, но тем не менее она прекрасно сохраняется неделями в чашках, где проращиваются семена, не закисая и не покрываясь плесенью. Очевидно, эта слизь содержит сильные антибиотические вещества, не активные по отношению к высшим растениям. Известное лечебное действие отваров льняного семени, возможно, связано с антимикробными свойствами слизи».
Для уточнения взаимоотношениймежду корнями растений и микроорганизмами некоторые ученые изучали распространение бактерий игрибов в ризосфере пшеницы методом электронной микроскопии. Исследования воли после предварительной отмывки образцов водой,так как на ультрасрезах корешков невозможно проводить анализ ризосферы из-за присутствия в почве частиц кремния. В этой связи О. А. Берестецким разработана специальная методика приготовления препаратов для исследования ризосферы с помощью сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии. В качестве субстрата для выращивания растений используются двойные чехлики (мешочки) из капрона. Предварительно замороженные скоростным способом и помещенные в такие мешочки растения выращивались на дерново-подзолистой почве.
Полученные электронограммы показали, что в первые дни после прорастания семян микроорганизмы на поверхности корня отсутствуют. В ризосфере апикальной части корня либо встречаются одиночные клетки, либо их нет совсем. В зоне корневых волосков изредка обнаруживаются колонии из небольшого числа клеток. В зоне роста чаще всего видны одиночные клетки. Больше всего микроорганизмов в зоне всасывания корней, особенно в базальной зоне (у основания корня). Расположены они не сплошным чехлом, как это предполагалось ранее и как считаютеще и сейчас многие исследователи, а мозаично, то есть отдельными группами, на некотором расстоянии друг от друга. Размеры микроорганизмов колеблются от 0,3 до 1,5 мкм. На клетках эпидермиса корня часто выявляется слизистая оболочка шириной от 1 до 4 мкм, которая выделяется клетками корня; образуется она различными полисахаридами. Бактерии, находящиеся в этой слизи, часто окружены электронно-прозрачной зоной шириной 0,5—1,0 мкм. Микроорганизмы имеют морфологически отличные формы.
По мере роста корня растения внешний слой клеток корневого чехлика спадает и в значительной степени разлагается. Отмирающие клетки заселяются микроорганизмами.
«Отсутствие микроорганизмов в зоне корневого чехлика, — пишет О. А. Берестецкий, — кажется странным, так как известно, что на поверхность корневого чехлика выбрасывается огромное количество слизи». Это несоответствие он объясняет образованием полисахаридов — пектина и гемицеллюлозы — и содержанием в слизи гликолипидов и гликопротеидов, по его мнению, отвечающих за антибиотическую активность большинства организмов. О наличии в слизи на поверхности корневых чехликов массы отдельных растительных клеток автор в своих работах не упоминает.
Приведенные выше данные определенно говорят о том, что, какими бы методами они ни были получены, вывод одинаков: на поверхности кончиков растущих корней всегда имеется большое количество слизистых веществ, при наличии которых микроорганизмов или совсем нет или их очень мало; другими словами, между микроорганизмами почвы к кончиками корней беспрерывно ведется ожесточенная борьба.