Если растение выращивать в соответствующих, благоприятных для фотосинтеза, условиях в растворе, содержащем оптимальные количества минеральных веществ, то оно может успешно расти и развиваться вплоть до созревания. Из такого опыта становится ясно, что зеленое растение представляет собой полностью автотрофный организм в отношении всех необходимых ему органических веществ, включая витамины, гормоны, аминокислоты и другие разнообразные сложные молекулы. Почему же тогда считается, что органические удобрения оказывают •благоприятное влияние на рост растения?

Ответ следует искать не в самом растении, а в природе и структуре почвы.

Почва, возникшая первоначально из обломков материнской породы, является высокодинамичной и комплексной средой для роста растений. Она включает: а) частицы породы разных размеров— от крупного песка до мелкого ила и очень мелких частичек глины; б) органическое вещество, главным образом остатки отмерших и разлагающихся растительных, животных и микробных клеток; в) живые организмы разных видов, в том числе бактерии, нитчатые грибы, водоросли, простейшие дождевые черви, насекомые и даже более крупные животные; г) почвенный раствор, содержащий неорганические и органические вещества в жидкой фазе, большей частью в виде тонкой пленки, окружающей частицы породы; д) газовую фазу, содержащую кислород (необходим для дыхания корней и активного поглощения минеральных веществ клетками корня), азот, двуокись углерода и примеси других газов из атмосферы.

Активный рост растения зависит от соответствующих физических свойств почвы. Если почвенные частицы упакованы слишком плотно, то объем газовой фазы будет мал, и поглощение минеральных веществ аэробно дышащими корнями снизится из- за недостатка 02. Говорят, что почва хорошо обработана, если она имеет достаточно комковатую структуру, т. е. такую, в которой мелкие почвенные частицы, склеиваясь между собой, образуют более крупные комки. Рыхлая укладка таких комков создает плотную, но хорошо аэрируемую среду. Это именно тот аспект почвенных условий, который зависит от органических компонентов, поскольку почвенные гранулы склеиваются в комки слизью, выделяемой почвенными микроорганизмами, потребляющими органическое вещество. Таким образом, внесение органических удобрений необходимо лишь тогда, когда этого требует физическое состояние почвы. В условиях, обеспечивающих оптимальный рост растений в полностью неорганической среде, например в хорошо аэрируемом кварцевом песке с внесением раствора минеральных солей, органические добавки, как правило, не дают дополнительного прироста.

Органические остатки часто содержат множество минеральных соединений, высвобождающихся при разложении органических веществ и используемых затем растениями. Хотя такие минеральные вещества можно вносить в почву непосредственно в растворе, органические остатки благодаря их медленному и равномерному разложению являются источником не только основных минеральных веществ, но и микроэлементов, которые- часто отсутствуют в современных минеральных удобрениях. Поэтому внесение органических удобрений в почву может быть целесообразным путем вовлечения в круговорот органических веществ. Однако нет никаких данных, свидетельствующих о том, что> при внесении органических удобрений в почву питательные качества растений улучшаются по сравнению с теми же качествами растений, выращенных в хорошо сбалансированном минеральном растворе. Об этом следует помнить при обсуждении внушительных заявлений защитников «органического садоводства». Более высокая цена на овощи, выращенные с применением органических удобрений, не гарантирует их лучшую питательную ценность, хотя, возможно, они содержат намного меньше пестицидов, чем другие сельскохозяйственные продукты.

ФИКСАЦИЯ АЗОТА

Одной из важнейших задач биохимиков, заинтересованных в увеличении продуктивности сельского хозяйства, является повышение эффективности азотфиксации, так как рост растений чаще всего лимитирует недостаточное снабжение их фиксированным азотом. Азот в форме стабильной молекулы N2 составляет 80% атмосферы. Перед фиксацией (восстановлением азота до аммиака) эта молекула должна каким-то образом дестабилизироваться и расщепиться. Образующийся при фиксации аммиак (NH3) может поглощаться корнями растений как таковой или после его окисления почвенными микроорганизмами до нитратов (N03-). В большинстве почв образование NO3- из NH3 происходит настолько быстро, что большая часть азота поглощается корнями в виде NO3-.Фиксация азота осуществляется главным образом некоторыми свободно живущими бактериями, потребляющими органическое вещество почвы. К ним относятся, например, аэробная форма Azotobacter и анаэробная — Clostridium. Бактерии рода Rhizobium, которые тоже участвуют в фиксации азота, живут в корневых опухолях или клубеньках определенных видов растений ( 7.3). Растение-хозяин принадлежит обычно к семейству бобовых, включающему горох, бобы, сою, люцерну, клевер и вику. Недавно проведенные исследования показали, что азотфиксирующие бактерии рода Spirillum окружают корни тропической травы Digitaria. Эта слабая ассоциация корней травы и бактерий в ризосфере, возможно, представляет промежуточную эволюционную стадию между евободноживущим азотобактером и локализованным в клубеньках ризобиумом. Растение «привлекает» бактерии с помощью органических корневых выделений. Микроорганизмы ризосферы в свою очередь снабжают растения фиксированным азотом. Некоторые сине-зеленые водоросли (такие, как Anabaena и Nostoc) и фотосинтезирующие бактерии (Rhodospirillum) могут фиксировать атмосферный азот, энергетически сопрягая этот процесс с фотосинтезом. Указанные организмы являются наиболее выраженными автотрофа- ми биологического мира, хотя некоторые штаммы Anabaena живут и эффективно фиксируют азот лишь в ассоциации с особыми «карманчиками» водяного папоротника Azolla. Причины этого явления не выяснены.

Взаимовыгодная ассоциация двух организмов называется симбиозом. Так как ни Rhizobium, ни растение-хозяин в отдельности не способны фиксировать и восстанавливать атмосферный азот, биологический комплекс в клубеньке нужно рассматривать как симбиотичеокую ассоциацию бактерий и растения- хозяина. Каждый тип растения-хозяина имеет свой собственный сим-биотический Rhizobium. Взаимное узнавание растения-хозяина и бактерий осуществляется путем прикрепления особого белка (лектина), находящегося на поверхности клеток корневого волоска, к специфической бактерии. После прикрепления к хозяину вторгающийся организм проникает в клетки необычно искривленных корневых волосков, которые, очевидно, деформируются под влиянием выделяемых бактериями ростовых гормонов группы ауксина (см. гл. 9). Внутри клетки-хозяина бактерии делятся, и образовавшееся потомство изменяет свою форму, превращаясь в бактероиды, содержащиеся в инфекционной нити, которая проходит от верхушки клеточной стенки корневого волоска через центр клетки ( 7.4). Окончательным результатом такого проникновения бактерий является чрезвычайно сильное разрастание клеток корня, приводящее к образованию бородавчатых выпуклостей, называемых клубеньками. Ризобиум способен эффективно фиксировать азот, лишь находясь в клубеньках такого типа.

Ассоциация между Spirillum и его растением-хозяином тоже относится к симбиотической, но она ограничена поверхностью корней. Это менее прочный тип ассоциации, так как Spirillum можно выращивать отдельно от хозяина при наличии достаточного количества питательных веществ. Поэтому ученые изучают возможность крупномасштабного культивир'ования этих бактерий в качестве источников фиксированного азота. Было также показано, что иногда данные бактерии живут в ассоциации с кукурузой. Это открывает возможность выведения штаммов, способных к фиксации азота на тех видах растений, которые обычно не имеют азотфиксирующих бактерий.

Фиксация азота осуществляется Fe2+- и Мо_-содержащим ферментом нитрогеназой. Растения, живущие в ассоциации с азотфиксирующими бактериями и зависящие от этого фермента, не реагируют на добавление азотсодержащих удобрений, так как аммиак (NH3), присутствующий в них или образованный из внесенного азотсодержащего материала, подавляет активность генов, управляющих синтезом нитрогеназы. Поэтому попытки повысить уровень азотфиксации включают поиски азотфиксирующих бактерий, лишенных способности регулировать синтез нитрогеназы по принципу «обратной связи». В регулируемый механизм, очевидно, вовлечен фермент глутаминсинтетаза, поскольку синтез нитрогеназы происходит лишь при высоком содержании глутаминсинтетазы. Недавно были найдены мутант- ные бактерии, содержащие большое количество глутаминсинтетазы. Они продолжают синтезировать йитрОгёназу даже в присутствии NH3. Таким образом, поиск бактерий с высокой эффективностью азотфиксации кажется многообещающим. ; Кроме нитрогеназы, которая связывается с молекулой N2 й дестабилизирует ее, для восстановления N2 до NH3 необходимы сильный восстановитель и АТР. Ферредоксин — переносчик электронов, участвующий также и в фотосинтезе, — служит главным восстанавливающим агентом. При симбиотической азотфиксации АТР поставляется растением-хозяином и количество фиксированного азота часто ограничивается скоростью фотосинтеза. Поэтому «удобряя» растение, например сою, двуокисью углерода, в принципе можно повысить общую фиксацию азота благодаря увеличению количества метаболитов, образующихся при фотосинтезе. Однако это трудно осуществить на практике при возделывании полевых культур.

Такое связывание обеспечивает эффективное удаление кислорода, находящегося поблизости от нитрогеназы, и оптимальные скорости азотфик- сации. Кислород, связанный с леггемоглобином, может быть- также использован для образования АТР в процессе дыхания. Это имеет очень большое значение, так как для фиксации азота необходимы значительные количества АТР. Как правило, чем краснее клубенек, тем активнее в нем идут процессы азотфиксации. В1 азотфиксирующей сине-зеленой водоросли Nostoc нитрогеназа, очевидно, локализована в ге- тероцистах, специальных нефо- тосинтезирующих анаэробных клетках ( 7.5). Эта структурная организация служит также для изоляции азотфиксирующей системы от кислород да, выделяющегося в процессе фотосинтеза.

Аммиак токсичен для растительных клеток, поэтому он не должен накапливаться в них в больших количествах. Аммиак обычно превращается в аминокислоты, вступая в реакцию с а-кетоглутаровой кислотой (метаболит цикла Кребса), в результате чего образуется глутаминовая кислота, а при дальнейшем добавлении аммиака — глутамин, амид глутаминовой кислоты ( 7.6). Другие аминокислоты синтезируются в ходе ферментативного процесса переаминирования, при котором глутаминовая кислота взаимодействует с другими кетокислотами, предшественниками новых аминокислот, перенося на них свою аминогруппу и превращаясь вновь в а-кетоглутаровую кислоту. Аспарагиновая кислота является одним из первых продуктов реакции переаминирования. В этом случае рецептором аминогруппы служит щавелевоуксусная кислота. При дополнительном связывании аммиака с аспарагиновой кислотой образуется аспарагин — амид аопарагиновой кислоты. Преимущественно в форме этих четырех компонентов — глутаминовой кислоты, глутами- на, аспарагиновой кислоты и аопарагина — и транспортируется фиксированный азот от клеток корня по всему растению . Некоторые аминокислоты образуются путем модификации углеродного остова предеуществующей аминокислоты.

Таким образом, общий круговорот азота в природе представляет собой обратимый переход его свободной газообразной формы в атмосфере в фиксированную форму в почве или биологической системе. В растительных клетках поглощенные нитраты вновь восстанавливаются до аммиака, который затем связывается с определенными органическими кислотами, в результате чего образуются аминокислоты, а затем белки. Эти вещества перевариваются животными и превращаются в животные белки и азотистые продукты обмена — мочевину и мочевую кислоту. В конечном счете все животные и растения отмирают и разла гаются в почве с образованием простых азотистых веществ, таких, как аммиак. Эти вещества постоянно рециркулируют через биологические системы, создавая круговорот азота ( 7.7). Благодаря действию денитрифицирующих бактерий фиксированный азот в виде свободного молекулярного азота возвращается в атмосферу, откуда он опять может фиксироваться бактериями. Денитрификация — довольно расточительный процесс. Его можно теперь замедлить в почве с помощью химических соединений, специально предназначенных для этой цели. Их применение должно оказать существенную помощь сельскому хозяйству.

Фермент нитрогеназа, который связывается с молекулой- N2(N = N) И восстанавливает ее до аммиака (NH3), может также присоединять ацетилен (НС = СН) и восстанавливать его до этилена (НС = СН). Обнаружение этой активности лежит в основе метода, с помощью которого азотфиксирующую активность растения можно определить непосредственно в поле. Определенное количество ацетилена в виде газа вносится в корне- обитаемую среду растения и через некоторое время удаляется» Количество ацетилена, превращенное в этилен, служит показателем азотфиксирующей способности корней данного растения» Поскольку как ацетилен, так и этилен являются газами, даже- незначительные их количества можно анализировать методом газовой хроматографии, позволяющим без больших затрат быстро получать точные данные. Используя этот метод, физиологи растений исследовали азотфиксирующую способность растений' сои в онтогенезе и изучили физиологические факторы, 'влияющие на эффективность процесса. Это важно для выявления путей; дальнейшего повышения продуктивности растений.