Микробы ускоряют рост растений

 

В различных органах растений образуются вещества, регулирующие и до известной степени ускоряющие их рост. К таким веществам относится, например, f3‑индолилуксусная кислота (гетероауксин).

Интересно, что гетероауксин вырабатывают и выделяют в окружающую среду также некоторые бактерии, дрожжи и плесневые грибы. В почве он может стать важным фактором в развитии растений. Образуется гетероауксин и в результате деятельности кишечных бактерий. Человек в сутки выделяет с мочой до 2 мг гетероауксина. Меньшая его часть (около 0,1–1 мг) поступает вместе с растительной пищей человека, но большую часть продуцируют кишечные бактерии.

Есть еще одно интересное вещество, связанное с деятельностью микроорганизмов и сильно влияющее на рост растений. Это гиббереллин. История гиббереллина началась на Дальнем Востоке. В Японии уже больше 150 лет известна болезнь риса баканаэ (шалая болезнь). Это заболевание молодых проростков риса, которые вытягиваются в высоту, становясь в полтора раза длиннее нормальных, здоровых растений. Оно вызывается грибом Gibberella fujikuroi, паразитирующим на рисе.

В 1926 году японский исследователь Е. Куросава, изучивший эту болезнь, доказал, что заболевание проростков риса можно вызвать искусственно и в отсутствие гриба. Он выращивал гриб в лаборатории в жидкой питательной среде, затем фильтровал ее и полученным фильтратом (лишенным гриба) опрыскивал молодые растеньица. Проростки начинали расти, значительно опережая необработанные растения и проявляя все признаки уже известного заболевания. Это означало, что гриб выделял в жидкую среду какие‑то вещества, которые проникали в организм опрыснутых растений и вызывали заболевание. Спустя десять лет группе японских исследователей удалось получить это вещество в чистом виде из фильтрата гриба. Они назвали его гиббереллином. Долгое время изучением гиббереллинов занимались лишь японские ученые, в последние десятилетия их стали исследовать и в других странах. В настоящее время известны четыре вещества типа гиббереллина[19], причем наиболее интересной оказалась гиббереллиновая кислота (чаще ее называют просто гиббереллином).

Самые большие трудности для исследователей гиббереллина заключались в том, что его можно было получать лишь в лабораторных условиях и в очень малых количествах. После второй мировой войны положение изменилось. К этсму времени уже началось промышленное производство антибиотиков (пенициллина, стрептомицина и др.). Опыт заводского выращивания организмов, продуцирующих антибиотики, можно было использовать и для получения культур гриба G. fujikuroi, а следовательно, приступить к промышленному производству гиббереллина. Но для чего потребовалось производить гиббереллин, вызывающий болезнь риса? Вопрос логичен и вполне естествен. На него мы сможем ответить, лишь разъяснив действие гиббереллина на организм растений.

Большие дозы гиббереллина действительно вызывают заболевание риса. Иначе обстоит дело с малыми дозами – на многие растения они оказывают вполне положительное действие. Мы уже говорили о том, что болезнь баканаэ вызывает быстрое вытягивание ростков риса. В связи с этим возникла мысль о возможности использования гиббереллина в качестве стимулятора роста культурных растений. Многочисленные опыты показали, что надежда эта вполне оправданна, и началось промышленное производство гиббереллина.

Изучая действие гиббереллина на растения, используют в основном два метода: либо в очень слабом водном растворе этого вещества замачивают клубни, корешки, семена растений, либо опрыскивают этим раствором только что взошедшие растения или их листья, почки, плоды. Концентрация гиббереллина в растворе очень низкая: одна часть вещества на миллион, а то и миллиард частей воды. Действует гиббереллин на различные растения по‑разному. Если семена гороха перед высевом намочить в растворе гиббереллина, они раньше прорастут и молодые проростки развиваются быстрее.

Опыты в тепличных условиях показали благоприятное действие гиббереллина на сельдерей. У подопытных растений вес был на 50 % выше, чем у контрольных экземпляров. В полевых условиях всего 3 г гиббереллина на площади 16 га повысили урожай сельдерея на 12 %, причем значительно улучшилось и качество этой культуры.

Один из сортов салата оказался настолько восприимчивым к действию гиббереллина, что стал высоким вьющимся растением.

Гиббереллин ускоряет прорастание риса, ячменя и увлажненных семян зерновых культур. Проводились неоднократные опыты по использованию гиббереллина в пивоварении в целях ускорения производства солода из ячменя.

Известно благоприятное действие гиббереллина на урожай и качество винограда. Средний вес отдельных плодов (ягод) и гроздей значительно повышался. Опрыскивание деревьев апельсина раствором гиббереллина повысило содержание сока в плодах на 9 %, а витамина С – на 13 %.

Обнадеживающие результаты были получены и при выращивании декоративных растений. Одни из них раньше зацветали, у других увеличивались размеры цветков, удлинялся период их цветения и они дольше сохранялись в срезанном состоянии. Опрыскивание листьев пеларгонии вызывало раннее появление бутонов и образование более крупных соцветий по сравнению с контрольными растениями.

Предварительные опыты с различными овощными растениями (картофель, морковь, фасоль, капу ста, томаты) показали возможность использования гиббереллина и в овощеводстве. Кукуруза, обработанная гиббереллином, достигает большей высоты. Рассматриваются возможности увеличения с помощью гиббереллина урожаев клевера, люцерны и других кормовых растений. По мнению специалистов, гиббереллин найдет применение прежде всего в овощеводстве, декоративном садоводстве и виноградарстве.

 

 

Взаимоотношения микробов

 

Держи, Атлант,

Чудовищную ношу –

Наш шар земной,

Огромный и безликий…

Он – кровь и глыба,

Облаков хаос,

Скалы обломок,

Великан гранитный,

Стихия и бесформенная сила,

Где все перемешалось и кипит,

И атомов в нем мечутся билльоны,

Ни устали не зная, ни сомнений…

Э. Болеслав Лукач «Атлант»

 

Союз с растениями

 

В предыдущей главе мы узнали о взаимоотношениях растений с микробами, выгодных для обеих сторон и называемых симбиозом. Рассмотрим подробнее некоторые стороны этого союза.

Бобовые растения могут образовывать сахара в процессе фотосинтеза, но неспособны усваивать атмосферный азот. Клубеньковые бактерии, напротив, хорошо справляются с этой задачей, но не могут осуществлять синтез сахаров, потому что не имеют хлорофилла. Но когда эти два организма объединяются и производят обмен вырабатываемых продуктов, их жизнь обеспечена.

На корнях ольхи также встречаются клубеньки, в которых живут микробы, усваивающие азот из воздуха. Это тоже пример симбиоза, как и у бобовых растений.

Чрезвычайно интересные растения – лишайники. В полярной тундре это почти единственная пища растительноядных животных. Они интересны тем, что представляют сочетания грибов и водорослей: среди клеток грибов живут более мелкие клетки зеленых или сине‑зеленых водорослей.

В теле лишайников того или иного вида обычно находится какой‑то один постоянный вид водоросли. Правда, у некоторых лишайников, произрастающих в альпийском поясе, имеются два вида водорослей, относящихся к совершенно различным группам (один вид к зеленым, другой – к сине‑зеленым водорослям), и здесь мы встречаемся уже с тройным симбиозом: гриб + зеленая водоросль + сине‑зеленая водоросль. При этом сине‑зеленая водоросль играет особую роль, так как она обеспечивает углеродное питание остальным членам системы за счет фотосинтеза и усваивает азот из атмосферы.

Лихенологам (лихенология – наука о лишайниках) удалось выделить из лишайников обоих партнеров – и гриб и водоросль – и выращивать их отдельно в чистых культурах. Из таких чистых культур они осуществили обратный «синтез» этих организмов в лишайники, что схематически изображено на рисунке.

 

 

Схема, показывающая выделение из лишайников чистых культур гриба и водоросли и последующее их соединение.

 

С помощью радиоактивного углерода. ¹⁴С было доказано, что углеводной пищей лишайников обеспечивают водоросли. Последние связывают углекислый газ в процессе фотосинтеза, из углекислоты и воды вырабатывают сахара и переправляют их грибным клеткам. В одном из опытов было установлено, что уже по прошествии 45 мин после поступления радиоактивного углерода в грибных клетках оказалось 60 % углерода, прошедшего через процесс фотосинтеза.

Шведский исследователь К. Мосбах из Лундского университета так описывает скорость синтеза лишайниками сравнительно сложной гирофоровой кислоты. Уже через минуту после поступления радиоактивной углекислоты в ее составе обнаружен углерод ¹⁴С. Это можно объяснить тем, что радиоактивный углерод сначала был поглощен клетками водорослей и затем в ходе реакций фотосинтеза был включен в состав молекул сахаров. Молекулы сахаров были переданы в грибные клетки лишайника и там под влиянием ферментов сначала разложились на более простые соединения с двухатомным углеродом, а затем при содействии других ферментов из них образовалась гирофоровая кислота, содержащая в своей молекуле 24 атома углерода. Весь путь атомов радиоактивного углерода можно упрощенно представить в виде следующей схемы:

 

Сложные процессы фотосинтеза, разложения и повторного синтеза биохимик провел бы по многим этапам и использовал бы для осуществления отдельных химических реакций по меньшей мере 10 ферментов. Но в клетках микроорганизмов все эти операции совершаются меньше чем за минуту; через минуту первые продукты – молекулы гирофоровой кислоты – уже готовы. Сколь примитивен и несовершенен автоматизированный конвейер на наших фабриках в сравнении с «производством» этого вещества в природе! При этом нельзя забывать, что в то же время и в тех же клетках в безупречной гармонии идут сотни других химических реакций!

Водоросли в лишайниках способны осуществлять процесс фотосинтеза при внешней температуре –5 °C, а в некоторых случаях даже при температуре –24 °C.

Как показали опыты лихенологов, водоросль снабжает своего грибного «партнера» также витаминами, а сине‑зеленые водоросли – еще и азотной пищей. Гриб со своей стороны поставляет водорослям водные растворы минеральных солей и обеспечивает защиту от неблагоприятных воздействий внешней среды.

Тем не менее создается впечатление, что водоросли являются своего рода пленниками и подневольной рабочей силой у грибов. При отделении партнеров друг от друга грибы нуждаются в «искусственном» питании, тогда как зеленые и сине‑зеленые водоросли – вполне самостоятельные организмы и сами синтезируют все необходимые органические соединения.

Немало в природе и других примеров сожительства микробов с иными организмами. На корнях деревьев в почве живут гифы грибов, проникающие в ткани корней. Грибы – постоянные спутники этих деревьев. Оказывается, их жизнь на корнях имеет большое значение для древесных пород. Растения выделяют в почву через корни углеводы, используемые грибами. Гифы проникают и внутрь корней, но растение регулирует их активность в корневой системе, причем верхушечные клетки гиф иногда растворяются веществами, содержащимися в выделениях корней. Растения в свою очередь используют вещества, находящиеся в гифах, и, таким образом, грибы в известной мере способствуют их питанию. Такое сожительство грибов с растениями называется микоризой. Эта связь хорошо известна грибникам, собирающим плодовые тела микоризных грибов – белых, маслят, лисичек. Плодовые тела вырастают из грибницы (сплетения гиф, находящиеся в почве в тесном контакте с корнями деревьев). Поэтому белый гриб мы чаще всего находим под дубами, подберезовик – под березами, а подосиновик– под осинами.

 

Дружба с животными

 

У каждого животного есть свой определенный «нормальный» состав микроорганизмов. Интересны взаимоотношения микробов и жвачных животных. В растительной пище жвачных содержится большой процент целлюлозы. И хотя пищеварительный аппарат этих животных не выделяет фермент целлюлазу, расщепляющий целлюлозу вплоть до молекул глюкозы, целлюлоза усваивается организмом полностью.

Желудок жвачных состоит из нескольких отделов, в которых пища подолгу задерживается и перемешивается. Здесь и происходит разложение целлюлозы.

Этот процесс обеспечивают бактерии и простейшие, которые находятся там в огромном количестве. Растительная пища еще в ротовой полости животного перемешивается со слюной, хотя и не имеющей в своем составе ферментов, но содержащей много солей. Соли служат пищей микробам, разлагающим целлюлозу в первом отделе желудка – рубце. Условия для жизнедеятельности микробов здесь благоприятны. Рубец жвачного[20] служит своего рода «термостатом», в котором микробы получают все необходимые питательные вещества. В 1 мл здесь может быть до 10 000 000 000 микробов. Целлюлоза и другие полисахариды в результате жизнедеятельности микробов разлагаются на более простые соединения – органические кислоты и газы. Органические кислоты через стенки рубца проникают в кровь, а газы выходят наружу. Микробы, количество которых, естественно, сильно возрастает, с обработанной пищей попадают в следующие отделы желудка, где под действием ферментов микробные клетки разлагаются до аминокислот и освобождают витамины, играющие вместе с аминокислотами важную роль в питании животных.

Не меньшее значение для животных имеют и кишечные бактерии[21], образующие, как показали исследования, витамины, необходимые организму животного. Бактерии, живущие в толстой кишке человека, поставляют организму витамины В₁ и К, способствующие процессу свертывания крови. Однако витамины, получаемые организмом человека от бактерий, не покрывают всех его потребностей, поэтому человек должен принимать их и с пищей.