Физиология растений

Сакс и Кноп развили применение вегетационного метода, впервые предложенного французским ученым Ж. Буссенго (1837). При вегетационном методе растения выращивают в специальных сосудах, заполненных водой, песком или почвой. Соответственно различают водные, песчаные или почвенные культуры. В зависимости от задач исследования в сосуды вносят определенную питательную смесь.

Вегетационный метод исследования широко используется в физиологических и агрохимических экспериментах. Сосуды обычно ставят на специальные вагонетки, которые помещают в вегетационный домик, имеющий застекленную и незастекленную часть. Вегетационный домик служит для растений укрытием и защищает от дождя, ветра и небольших заморозков. В последнее время широкое распространение получили лаборатории искусственного климата, где растения выращивают в контролируемых условиях влажности, температуры и освещенности.

Аналитические методы, применявшиеся  Саксом и Кнопом, были довольно грубы  и не позволяли достаточно очистить воду и сосуды, в которых выращивались растения, поэтому элементы, необходимые растению в микроколичествах, в то время не были открыты. В начале XX в. при современных методах очистки воды и реактивов была показана необходимость для растений, кроме перечисленных выше еще пяти элементов (микроэлементов), бора, марганца, цинка, меди и молибдена. Предполагают, что для нормального роста некоторых растений необходимы и такие элементы, как хлор, кобальт, натрий и др. Все необходимые элементы корневого питания подчиняются основным правилам, сформулированным еще Ю. Либихом: 1. Все перечисленные элементы равнозначны и полное исключение любого из них приводит растение к глубокому страданию и гибели. 2. Ни один из перечисленных элементов не может быть заменен другим, даже близким по химическим свойствам, т. е. каждый элемент имеет свое специфическое физиологическое значение.

2. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

В растительном организме все процессы тесно взаимосвязаны. Исключение из питательной среды какого-либо необходимого элемента быстро вызывает изменение во многих, если не во всех, процессах метаболизма. В связи с этим выделить первичный эффект бывает чрезвычайно трудно. Сказанное относится в первую очередь к тем питательным элементам, которые не входят в состав определен; ных органических веществ, а играют скорее регуляторную или .Какую-то иную роль.

В общем виде можно сказать, что  питательные элементы имеют следующее  значение: 1) входят в состав биологически важных органических веществ; 2) участвуют в создании определенной ионной концентрации, стабилизации макромолекул и коллоидных частиц (электрохимическая роль); 3) участвуют в каталитических реакциях, входя в состав или активируя отдельные ферменты. Во многих случаях один и тот же элемент может играть разную роль. Некоторые элементы выполняют все три функции.

Макроэлементы

Остановимся сначала на физиологической  роли неметаллов — фосфора и серы. Роль азота будет рассмотрена в специальной главе.

Фосфор. Содержание фосфора в растениях  составляет около 0,2% на сухую массу. Фосфор поступает в корневую систему растений в виде окисленных соединений, главным образом остатка орто-фосфорной кислоты (Н3РО4). При всех превращениях в растительном организме фосфор сохраняет степень окисленности. Собственно все превращения сводятся 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 взаимодействие фосфорной кислоты с карбонильной, карбоксильной или спиртовой группировками. Трансфосфорилирование — это процесс, при котором остаток фосфорной кислоты, включенный в состав одного органического вещества, переносится на другое органическое вещество. Ряд важнейших в биологическом отношении фосфорных соединений содержат несколько ос- t татков фосфорной кислоты (полифосфаты). Фосфор входит в состав^/ ряда органических соединений, таких, как нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), нуклеотиды, фосфолипиды, витамины и многие другие, играющие центральную роль в обмене веществ. Многие фосфорсодержащие витамины и их производные являются коферментами и принимают непосредственное участие в каталитическом акте, ускоряющем течение важнейших процессов обмена. Для фосфора характерна способность к образованию связей с низким и высоким энерге- . тическим потенциалом (макроэргические связи). Такие связи нестабильны, это облегчает их обмен и позволяет использовать энергию на самые различные биохимические и физиологические процессы.

Фосфорная кислота, поступая в живые  клетки корня, быстровключается в состав нуклеотидов, образуя АМФ и АДФ. Далее впроцессе субстратного и  окислительного фосфорилирования (анаэробная и аэробная фазы дыхания) образуется АТФ. По даннымА. Л. Курсанова, уже через 30 с поступивший меченый фосфор(³²Р) обнаруживается в АТФ. Образовавшаяся АТФ используется наактивацию Сахаров, аминокислот, синтеза нуклеиновых кислот и надругие процессы. Недостаток фосфора влияет практически на всепроцессы жизнедеятельности растений. Фотосинтез, дыхание, росттребуют для нормального протекания достаточного снабжения фосфором.

Сера содержится ктрастениях в  среднем в количестве 0,17%. Однако в растениях семейства крестоцветных ее содержание гораздо выше. Поступает сера в растения |V виде сульфатиона «SO4». Сера входит в состав органических соединений, играющих важную роль в обмене веществ организма. Так, сера входит в состав трех аминокис-    \ лот — цистина, цистеина и метионина. Почти все    белки содержат серосодержащие аминокислоты, поэтому становится ясно"й роль серы в белковом обмене организма. Сера    входит также в состав многих витаминов и коферментов, таких, как биотин, тиамин,    коэнзим А,     ! глютатион и др. В связи с этим сера принимает участие в многочис-     I ленных реакциях  обмена   (аэробная  фаза  дыхания,  синтез  жиров     I и др.). Сульфгидрильные группировки (SH) и дисульфидные связи      I (S—S)  играют большую роль, обеспечивая    взаимодействие между ферментами и их простетическими группами, а также участвуя в создании определенной конфигурации белковых молекул. Так, SH-rpyn-пы связывают белок с такими коферментами, как   НАД или ФАД. Часто за счет дисульфидных связей сохраняется трехмерная структура белка, а следовательно, его активность.

Сера, поступая в растение в виде иона SO4, быстро переходит в органическую форму при участии АТФ и магния:

„ сульфорилаза

S0₄²~ -f АТФ у- АФБ + Ф—Ф

Mg*⁺        аденозин-5-фосфосульфат киназа

АФЗ + АТФ >- ФАФ8 + АДФ

Mg^t+   фосфоаденозинфосфосульфат и

Такой активированный сульфат подвергается дальнейшему    восста-     п 
новлепию при участии ферредоксина. В восстановленной форме сера 
включается в аминокислоты. /   i

Восстановленная сера в растении может  подвергаться снова окислению. Окисленная форма неактивна. Показано, что в молодых органах сера находится главным образом в восстановленной форме, а в старых — в окисленной.

К макроэлементам-металлам относятся К, Са, Mg, Fe. Участие в каталитических реакциях характерно главным    образом для металлов. Металлы могут осуществлять влияние на процессы обмена различным путем: 1) непосредственно входя в активный центр фермента (в простетическую группу или в апофермеит). Таковы ферменты, содержащие железо, медь и некоторые другие элементы. Функция металла заключается чаще всего в переходе из окисленной в восстановленную форму, что сопровождается переносом электрона; 2) активируя тот или иной фермент путем изменения заряда белка-фермента или его конфигурации; 3) являясь связующим мостиком между ферментом и субстратом и тем самым облегчая их взаимодействие; 4) изменяя константу равновесия ферментативных реакций; 5) изменяя равновесие между активной и неактивной формами фермента; 6)   связывая   ингибиторы  тех  или  иных  ферментативных  реакций. Кальций входит в состав растений в количестве 0,2%, поступает, в виде иона Са²⁺. Роль кальция разнообразна. Кальций, соединяясь с пектиновыми веществами, дает пектаты кальция, которые являются важнейшей составной частью клеточных оболочек растений. Срединные пластинки,  склеивающие клеточные оболочки соседних клеток, состоят по преимуществу из пектатов кальция. При недостатке кальция клеточные оболочки ослизняются, что особенно ярко проявляется на клетках корняТТТальцйи плохо передвигается по растению, поэтому для предупреждения ослизнения необходимо, чтобы ионы Са²⁺ непосредственно соприкасались с клетками корня. Сказанное было продемонстрировано в опытах, поставленных по методу изолированных водных культур. В этих опытах одну прядь корней помещали в питательный раствор, содержащий все необходимые питательные вещества; другую прядь корня того же растения — в раствор с исключением кальция. Очень скоро клетки корня, которые находились в растворе без кальция, начали ослизняться и загнивать.

Кальций повышает вязкость цитоплазмы, что видно на опытах с формами плазмолиза. В солях кальция плазмолиз имеет вогнутую форму, так как более вязкая цитоплазма с трудом отстает от клеточных оболочек. Кальциевая соль лецитина входит в состав мембран, поэтому присутствие кальция важно для нормального их функционирования. Кальций принимает участие в поддержании структуры хромосом, являясь связующим звеном между ДНК и белком. При недостатке кальция наблюдаются повреждение хромосом и нарушение митотического цикла. Кальций необходим также для поддержания структуртГТгатт^рндрий и рибосом. Кальций является активатором таких ферментов, как фосфорилаза, аденозинтрифосфатаза и некоторые другие. Кальций реагирует с различными органическими кислотами, давая соли, и тем самым является в определенной мере регулятором рН клеточного сока.

Магний. Содержание магния в растениях  ссотавляет 0,17%. Магний поступает в растение в виде иона Mg²⁺. Магний входит в состав основного пигмента зеленых листьев — хлорофилла. Магний поддерживает структуру рибосом, связывая РНК и белок. Большая и малая субъединицы рибосом ассоциируют вместе лишь в присутствии магния. Отсюда синтез белка не идет при недостатке магния, а тем более в его отсутствии. Магний является активатором многих ферментов. Важной особенностью магния является то, что он связывает фермент с субстратом по типу хелатной связи. (Клешневидная связь между органическим веществом и катионом.) Так, например, присоединяясь к пирофосфатной группе, магний связывает АТФ с соответствующими ферментами. В связи с этим все реакции, включающие перенос фосфатной группы (большинство реакций сиптеза, а также многие реакции энергетического обмена), требуют присутствия магния. Магний активирует такие ферменты, как ДНК- и РНК-полиме-разы, аденозинтрифосфатазу, глютаматсинтетазу, а также ферменты, катализирующие перенос карбоксильной группы,— реакция карбок-силирования и декарбоксилирования.

В ряде случаев влияние магния на работу ферментов определяется тем, что он реагирует с продуктами реакции, сдвигая равновесие в сторону их образования. Магний может также ипактивировать ряд ингибиторов ферментативных реакций.

Калий. Содержание калия в растении 0,9%. Он поступает в растение в виде иона К+. Физиологическую роль калия нельзя считать полностью выясненной. Калий не входит ни в одно органическое соединение. Большая часть его (70%) в клетке находится в свободной ионной форме и легко извлекается холодной водой, остальные 30% в адсорбированном состоянии. В противоположность кальцию калий снижает вязкость протоплазмы, повышает ее оводненность. Эта особенность действия калия хорошо проявляется в том, что в его солях плазмолиз имеет выпуклую форму, протоплазма легко отстает от клеточной оболочки. Следовательно, калий является антагонистом кальция.

Калий активирует работу многих ферментных систем, например фермент, катализирующий фосфорилирование Сахаров,— гексокииа-зу, ферменты, катализирующие перенос фосфорной кислоты с пиру-вата на АДФ (пируваткиназа), а также ферменты, участвующие в образовании АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. В связи с этим, по данным Э. И. Выскребенцевой, при недостатке калия резко падает содержание макрозргических фосфатов. Калий активирует и ряд ферментов цикла Кребса. Многие ферменты, участвующие в синтезе белка, требуют для своего действия присутствия калия.

Несмотря на необходимость калия  для проявления активности ряда ферментов, механизм этой активации до настоящего времени пе представляется ясным.

Недостаток калия замедляет  транспорт сахарозы по флоэме. Влияние  калия на передвижение органических веществ по гипотезе Спаннера проявляется благодаря образованию градиента электрического потенциала на ситовидных пластинках, который возникает при циркуляции калия между ситовидной трубкой и сопровождающими клетками.

В последнее время появились  данные, что открытие устьиц на свету связано с накоплением в замыкающих клетках ионов калия.

Железо входит в состав растения в количестве 0,08%. Необходимость железа была показана в тот же период, что и остальных макроэлементов. Поэтому, несмотря на ничтожное содержание, его роль рассматривается вместе с макроэлементами. Железо поступает в растение в виде Fe³⁺. Роль железа в большинстве случаев связана с его способностью переходить из окисленной формы (Fe³⁺) в восстановленную (Fe²⁺) и обратно. Железо входит в состав каталитических центров многих окислительно-восстановительных ферментов. В виде геминовой группировки оно входит в состав таких ферментов, как цитохромы, цитохромоксидаза, каталаза и пероксидаза. Цитохромная система является необходимым компонентом дыхательной и фотосинтетической электронно-транспортной цепи. В силу этого при недостатке железа тормозятся оба эти важнейшие процессы. Кроме того, целый ряд ферментов содержит железо в негеминовой форме. К таким ферментам относятся некоторые флавопротеиды и железосодержащий белок ферредоксин.

Железо необходимо для образования  хлорофилла. При этом железо катализирует образование предшественников хлорофилла амино-левулиновой кислоты и протопорфиринов. Предполагают, что железо играет роль в образовании белков хлоропластов. При недостатке железа нет условий для образования таких важнейших компонентов хлоропластов, как цитохромы, ферредоксин и некоторые другие. Возможно, это косвенно влияет на образование хлорофилла.

Микроэлементы

Практическая значимость исследований по микроэлементам связана с тем, что есть почвенные провинции, где остро недостает того или иного из них. Кроме того, часто в почве микроэлементы находятся в неусвояемом для растительного организма состоянии, поэтому внесение микроудобрений (удобрений, содержащих микроэлементы) в почву очень полевно. Надо учитывать при этом, что высокие дозы микроэлементов могут оказать ядовитое влияние.

В изучении микроэлементов различают  два направления: 1. Изучение влияния на интенсивность физиологических процессов при их исключении из питательной среды. 2. Изучение специфической роли отдельных микроэлементов, главным образом участия их в определенных ферментных реакциях. Второй биохимический подход оказался более результативным.