Сельское хозяйство

Архивы за Июль, 2011

Насекомые обладают очень хорошо развитыми органами обоняния и вкуса (в сотни раз более острыми, чем у человека). Для нас растения внешне выглядят совершенно одинаковыми, но они могут отличаться друг от друга по биохимическому состоянию. Это великолепно различают насекомые, точно реагирующие на различный биохимический состав клеточного сока у растений.
Именно этой реакцией насекомых в итоге и определяется, что растения одного вида и сорта повреждаются по-разному. И этим же можно объяснить различную плодовитость и интенсивность размножения насекомых в разные сроки весенне-летнего периода.

Повысить устойчивость растений к разного рода вредителям можно с помощью агротехнических методов, в частности, путем направленных подкормок растений различными минеральными удобрениями.

Особенно наглядно это можно показать при анализе условий питания тлей, у которых в течение летнего сезона бывает 10-15 поколений. Тли, как и другие колюще-сосущие насекомые, обладают внекишечным пищеварением, то есть у них первичная подготовка углеводной пищи, расщепление сложных углеводов на более простые соединения (сахара), происходит вне кишечника. Тля прокалывает эпидермис листа и внутрь тканей выпускает слюну, ферменты которой расщепляют углеводы до сахароз, всасываемых затем через хоботок. При помощи внекишечного пищеварения тли могут подготовить лишь углеводную пищу.
Белки под действием ферментов слюны не расщепляются, а в сложном виде они не могут быть усвоены.
Если в клеточном соке этих аминокислот нет, тли остаются бесплодными, так как для созревания половых продуктов необходимо белковое питание.
Принято считать, что нарушение обмена веществ (то есть усиленный гидролиз углеводов и белков) у растений, сильно зараженных тлей, — результат жизнедеятельности этих паразитов. В период массового размножения тли биохимический состав клеточного сока растений, безусловно, изменяется.
Как обстоит дело при появлении первых тлей? Если первая тля при своем появлении на растении не найдет в клеточном соке аминокислот, она остается бесплодной. А если первое поколение окажется бесплодным, то, естественно, не будет ни 2-го, ни 3-го, ни всех последующих. Отпадает необходимость проведения различных защитных мероприятий.
Итак, факт массового размножения тли нужно рассматривать как индикатор повышенного количества аминокислот в тканях растений. А это, в свою очередь, может быть вызвано неблагоприятными для нормального роста растений условиями.
Одна из причин — недостаток калия, фосфора, отдельных микроэлементов, что часто бывает при избыточном внесении азотных удобрений. Биохимическое состояние клеточного сока можно изменить, вовремя подкормив растение удобрениями или древесной золой, включающей все (кроме азота) элементы минерального питания растений.
В результате резко сокращается количество продуктов гидролиза и белков и углеводов, растение станет менее «привлекательным», «невкусным» для вредителей.
Действие внекорневой подкормки продолжается до 14 дней. В случае необходимости ее можно повторить. Для обработки одного гектара требуется около 400 литров раствора.

Приблизительная норма расхода удобрений на один гектар: хлористый калий — 2 кг, суперфосфат — 4 кг или древесная зола — 4 кг. Подкормка, кстати, уничтожает также и молодых гусениц капустной белянки (до 50% — через 5 дней после выхода из яиц). Раствор необходимо приготовить из расчета на один литр воды — 5 граммов хлористого калия, а суперфосфата (или золы древесной) — 10 граммов.

В наших опытах при однократной подкормке капусты, проведенной в начале июля на площади 6 гектаров, зараженность тлей снизилась до 15% против 66% на контрольном участке, а капустной белянкой (летнего поколения) — на 18 процентов. Чтобы конкретно представить себе эти цифры, нужно иметь в виду, что снижение лишь на 1 процент означает, что сохранено до 4 центнеров капусты на каждом гектаре. В указанном опыте с каждого из 6 гектаров было получено капусты в среднем на 90 центнеров больше, чем на контрольном участке.
Эти данные позволяют надеяться, что аналогичные результаты могут быть получены и при фосфорно-калийных подкормках картофеля и других пасленовых (при нападении колорадского жука и 28-точечной картофельной коровки), пшеницы (при угрозе вредной черепашки).

Самым наиважнейшим фактором возникновения клубенькового симбиоза служит низкое содержание в почве доступного растениям азота. Последнее доказывается очень просто. Выбирается луг, богатый растениями, несущими на корнях обильное количество клубеньков. И достаточно внести в его почву азотные удобрения, чтобы клубеньки исчезли незамедлительно. Симбиотические азотфиксаторы селятся только там, где в них ощущается острая потребность. Природа всегда рациональна в своих проявлениях.

В последнее время при изучении любого природного процесса все больше приходится учитывать значение антропогенного воздействия. Вмешательство человека может сыграть немалую роль в возникновении рассматриваемого симбиоза — как в положительном, так и в отрицательном смысле. Вырубается лес, участок получает больше солнца, число растений с клубеньками немедленно увеличивается. Стравливается луг скоту, выкашивается трава — беднеет видовой состав, сокращается число растений-симбионтов. А травы на не тронутых человеком участках наиболее богаты клубеньками. Даже рыхление почвы лугов, которое по всем правилам улучшает условия произрастания, приводит к полному уничтожению клубеньков. Почему это происходит? Может быть, потому, что для растений среда становится более благоприятной, а микробы-симбионты селятся там, где плохо? К сожалению, мы еще недостаточно знаем природный механизм, управляющий их жизнедеятельностью.
Полевые эксперименты с бобовыми культурами дали возможность убедиться, что за счет их симбиоза с микробами в почве накапливается азота от 100 до 300 килограммов на гектар. Невольно возникает вопрос: какова в этом отношении продуктивность симбиотических связей с небобовыми растениями? Пытаясь ответить на него, сибирские ученые должны были снова проникнуть в совершенно неизведанную область. Вначале определили содержание азота в различных частях симбиозирующих растений. Наибольшее его количество, конечно, обнаружилось в клубеньках. Это аналогично с бобовыми. Но это еще не доказывало, что клубеньки небобовых улучшают снабжение азотом растительного организма.
Тогда семена луговой тимофеевки и крапчатого пазника «заразили» бактериями, выделенными из клубеньков этих растений, и высеяли одновременно с семенами, которые такой операции не подвергались. И та и другая группы проростков два месяца развивались в одинаковых условиях. На корнях первых образовались клубеньки, а в тканях заметно увеличилось содержание азота. Стало ясно, что симбиотические бактерии тимофеевки и пазника добросовестно улучшают азотное питание хозяина.
Способность клубеньков небобовых растений фиксировать атмосферный азот не менее убедительно доказывается с помощью изотопного метода. По мнению И. Л. Клевенской, именно благодаря ему можно безоговорочно «решать вопрос о принадлежности того или иного организма к классу фиксаторов азота».

Поперечный разрез клубенька: 1 — эпидермис, 2 — ковровая паренхима, 3 — перицикл, 4 — центральный сосудистый пучок, 5 — эндодерма, 6 — бактерии

Опыт производился следующим образом. Нужные растения выкапывались, корни их отмывались от почвы, и в таком виде все это помещалось в герметически закрытый эксикатор (лабораторный сосуд). Затем эксикатор наполнялся искусственной атмосферой, в числе компонентов которой был молекулярный азот. В ней испытываемые растения выдерживались до 24 часов. Для контроля такой же опыт проводился с экземплярами того же вида, но лишенными клубеньков. Одновременно анализу подвергались и бобовые растения, входящие в данное растительное сообщество. Последующие анализы позволили обнаружить азот только в клубеньках. Подтвердилось, что у бобовых и небобовых растений их роль одинакова. Разница только в том, что небобовые играют эту роль несколько слабее. Исследователи также убедились, что количество фиксируемого азота в разные периоды развития растения неодинаково. Больше всего его накапливается во время цветения. Кстати, это характерно и для бобовых, что вполне естественно: в жизни любого растения формирование органов размножения — наиболее ответственный период.
В конце концов ученые установили, что клубеньки небобовых растений, находясь в природных (не культурных) условиях, добавляли ежегодно в общий баланс до 85 килограммов азота на гектар, что вполне достаточно для хорошего урожая трав.
Изучение симбиоза бобовых растений и клубеньковых бактерий показало, что их взаимосвязь не ограничивается только биологической фиксацией атмосферного азота. Не менее важным оказался тот факт, что микроорганизмы синтезируют физиологически активные вещества, стимулирующие рост и развитие растения-хозяина. Логично было предположить, что такой же способностью обладают и бактерии, живущие на корнях небобовых растений. Такие исследования были тоже проведены в новосибирской лаборатории, и они подтвердили, что и в этом деле небобовые мало уступают бобовым. Это относится и к дополнительному производству витаминов группы В, которые активизируют азотный обмен в организме, и к синтезу ростовых веществ — ауксинов и гиббереллинов, способствующих росту и развитию растений.

Диаграмма фиксации азота и содержания витаминов группы В в клубеньках во время вегетации: а — фиксированный азот; б — витамин Bi2, в — витамин В;7; г — витамин В3, д — витамин РР, е — витамин В.

Работы сибирских микробиологов весьма наглядно продемонстрировали необходимость дальнейшего изучения клубенькового симбиоза среди травянистых растений, не принадлежащих к семейству бобовых. Важность этого научного направления еще и в том, что почти все сибирские виды с клубеньками широко распространены и в других районах. Вдобавок многие господствуют в растительных сообществах. Очевидно, в природе подобные симбиотические системы распространены достаточно широко. Их роль в накоплении почвенного азота очень существенна. Конечно, при этом надо учесть, что продуктивность бобовых оценивается в культурных хозяйствах, где растения развиваются в более благоприятных условиях. Не исключено, что если создать такую же обстановку диким небобовым растениям, то вклад их в азот-фиксацию может стать значительно большим. Ведь известно, что симбиозирующие с бактериями древесные и кустарниковые породы накапливают ежегодно до 300 килограммов азота на гектар.
Наличие клубеньков у однодольных растений, в частности у злаков, возбуждает надежды на создание симбиотических систем с участием хозяйственно ценных растений, в том числе хлебных. Такие попытки уже предпринимаются, и есть основания предполагать, что они будут успешными.

Проблема усвоения (или, как говорят ученые, фиксации) атмосферного азота растениями уже давно волнует специалистов разных отраслей знания. Напомним читателям, что суть ее в том, что азот — один из главных компонентов питания растений, добавление его в почву ускоряет развитие растений, повышает урожайность. Но азотистые удобрения дороги, потребность в них велика, и если бы растения могли усваивать азот из атмосферы, где его полным-полно, то расходы на урожай стали бы значительно ниже.
В принципе такие растения есть — это семейство бобовых. На их корнях селятся колонии (клубеньки) бактерий, способных усваивать азот из воздуха. Попытки переселить эти бактерии на другие растения — хлебные, например, — успеха не имели. Однако с течением времени выяснилось, что клубеньки образуются и у небобовых растений. Исследованием их занялись ученые Сибири, где таких растений оказалось довольно много. О том, что удалось выяснить, рассказывает предлагаемая статья.

Осенью в садах, на огородах, на пожелтевших или побуревших нивах идет сбор богатого урожая, сулящего спокойную и сытую зиму. С полей в хранилища непрерывным многоцветным потоком движется масса растений и плодов. На их рост и созревание понадобилось огромное количество питательных веществ, и все лето корни добросовестно выкачивали их из почвы. Но ведь запасы питательных веществ в ней не беспредельны, и к следующему сезону баланс должен быть восстановлен. Как это происходит?
Микробиологи не без основания утверждают, что в сохранении почвенного плодородия решающая роль принадлежит микроорганизмам. Бесчисленные существа, населяющие каждый грамм почвы, активно трудятся над остающимися после уборки органическими остатками, преобразуя их в растворимые, доступные растениям соединения. А некоторые из них накапливают в почве важнейший компонент питания растений — азот, забирая его прямо из атмосферы.
В последнее время стало известно, что микробное население не прекращает свою жизнедеятельность и в холодную пору года. В результате к весне они вновь возвращают в почву до 40 процентов утраченных питательных веществ. Причем эта цифра может быть увеличена. Существуют специальные агроприемы, создающие микроорганизмам более благоприятные условия. Но не о них сегодня речь.
Земледельцы издавна знают: при посеве бобовых культур, кроме сбора очень богатого белком урожая, почва плюс ко всему обогащается азотом. Это происходит именно благодаря симбиозу растения с живущими непосредственно на его корнях клубеньковыми бактериями — именно эти бактерии и усваивают азот из атмосферы. Благодаря этому поле меньше нуждается в азотных удобрениях, и при этом урожайность на нем будет выше.
До недавних пор было принято считать, что подобный союз характерен только для бобовых растений. Но это не так. Впервые клубеньковые утолщения на корнях небобовых растений были найдены немецким ботаником М. Бейеринком еще в 1888 году. Обладателями их оказались полупаразитические травянистые формы: луговой марьянник, большой погремок. Открытие это прошло незаметно, и вскоре о нем просто забыли. В последующие десятилетия в литературе иногда появлялись одиночные описания клубеньков у небобовых трав, но вниманием широких научных кругов они не пользовались.
Однако с годами постепенно накапливалось все больше наблюдений, свидетельствующих о довольно широком распространении среди растений способности к симбиозу с азотфиксирующими микроорганизмами. Таких растений оказалось немало на Кавказе, еще больше в Сибири и на Алтае. Изучением их и систематизацией в течение ряда лет занимаются ученые Института почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Академии наук России, руководит этими работами доктор биологических наук. Забегая вперед, отметим, что когда результаты исследований сибирских ученых были доложены на Международном конгрессе почвоведов, проходившем в Индии в 1981 году, то они вызвали сенсацию, ибо сибиряки неопровержимо доказали, что многие виды растений успешно конкурируют с бобовыми в симбиотическом обогащении почв азотом.
Список травянистых небобовых форм, способных образовывать клубеньки на корневых отростках, только в Сибири насчитывает 75 видов, принадлежащих 21 семейству. Некоторые из них — например, хвощи — ведут свое происхождение с глубокой древности. А наиболее часто клубеньки встречаются у представителей самого молодого в эволюционном отношении семейства — сложноцветных. Очевидно, возникнув где-то в недрах мезозойской эры, симбиоз высших растений и микробов-азотфиксаторов продолжает активно эволюционировать и в нашу эпоху, поскольку сохраняется стимул его проявления — недостаток азота в почве.
Работы сибирских ученых показали, что возникновение таких симбиозов в первую очередь зависит от конкретной природной обстановки, в которой находится растительное сообщество. В различных районах Сибири брались почвенные монолиты с растениями, имеющими на корнях клубеньки. Их осторожно перевозили и вкапывали на опытном участке под Новосибирском. По природным условиям это лесостепная зона Западной Сибири. В большинстве случаев перемещенные растения продолжали благополучно развиваться, но клубеньки постепенно исчезали. Причем скорость их исчезновения прямо зависела от того, насколько природные условия Новосибирска отличаются от района, откуда привезли монолит. В образцах из Горного Алтая или Приангарья они пропадали особенно быстро,
Эксперименты с почвенными монолитами позволили получить еще один существенный результат. Удалось вычленить отдельные факторы, которые имеют несомненное значение для появления клубеньков. Во-первых, их образованию способствует высокая влажность почвы (до 45 процентов). Во-вторых, не менее важную роль играет свет: максимальное количество клубеньков развивается на хорошо освещенных участках — на лугах, лесных полянах. Имеет также значение, какие породы деревьев растут в непосредственной близости, то есть важна и биохимическая среда. Стало известно, что присутствие ивы сказывается благоприятно, но стоит появиться пихте, как развитие клубеньков начинает подавляться.