Author: Битюцкий Н.П.
Tags: физиология растений ботаника агрохимия биология растениеводство
ISBN: 5-288-02212-7
Year: 1999
Text
Н.П.БИТЮиКИИ
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
РАСТЕНИЕ
т
"111:,
.л
Щ 1 ж
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Н. П. Битюцкий
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
И РАСТЕНИЕ
Рекомендовано Министерством образования
Российской Федерации в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по биологическим
и сельскохозяйственным специальностям
ИЗДАТЕЛЬСТВО С.-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1999
УДК 581.13.131
ББК 28.57+40.4
Б66
Рецензенты кафедра агрохимии и агроэкологии С.-Петерб. аграрного
ун-та (зав. каф. акад. РАСХН В. Н. Ефимов); д-р биол. наук,
проф. Г. Я. Жизневская (Ин-т физиол. раст. РАН); д-р биол.
наук, проф. С. С. Медведев (С.-Петерб. госуд. ун-т)
Печатается по постановлению
Редакционно-издательского совета
С.-Петербургского государственного университета
Битюцкий Н. П.
Б66 Микроэлементы и растение. Учеб. пособие. — СПб.: Изд-во
С.-Петерб. ун-та, 1999. — 232 с.
ISBN 5-288-02212-7
Основное внимание в учебном пособии уделено роли
микроэлементов в жизни высших растений. Приведены критерии оценки
подвижности микроэлементов в почве и их доступности растениям.
Изложены современные представления о формах, функциях и
локализации микроэлементов и их комплексов в растительном
организме. Рассмотрены причины и симптомы дефицита микроэлементов
у растений, а также механизмы их адаптации к условиям дефицита.
Указаны основные виды и способы применения микроудобрений.
Учебное пособие предназначено для студентов биологических
факультетов университетов, научных сотрудников, а также для
широкого круга читателей
Без объявления ББК 28.57+40.4
ИЗДАНИЕ ОСУЩЕСТВЛЕНО ПРИ ЧАСТИЧНОЙ ФИНАНСОВОЙ
ПОДДЕРЖКЕ ФЦП «ИНТЕГРАЦИЯ», ПРОЕКТ 326.8.
© Битюцкий Н П., 1999
© Издательство
С.-Петербургского
ISBN 5-288-02212-7 университета, 1999
ПРЕДИСЛОВИЕ
Жизнедеятельность любого организма невозможна без
микроэлементов. Несмотря на относительно низкое содержание в
клетках и тканях, микроэлементы участвуют в ключевых
физиологических процессах. В настоящем учебном пособии основное
внимание уделено роли микроэлементов в жизни высших растений.
В последние десятилетия это направление исследований
интенсивно развивалось, особенно в связи с научно-техническим
прогрессом в области молекулярной биологии, аналитической химии и
физики. Однако накопленный к настоящему времени обширный
материал по этой проблеме до сих пор не находил должного отражения
в отечественной литературе.
В этом пособии обобщены современные литературные данные
и результаты исследований автора, отражающие значение
микроэлементов в жизни растений. Для наземных растительных
организмов почва — главный источник микроэлементов. Поэтому в
пособии содержится информация о разнообразных формах
микроэлементов в почвах. Приведены критерии оценки подвижности
микроэлементов в почве и их доступности растениям.
Кроме того, описаны механизмы поглощения микроэлементов
корнями, а также физиологически важные эффекты
взаимодействия разных химических элементов на стадии их поглощения
растениями. Изложены современные представления о формах,
функциях и локализации микроэлементов в растительном
организме. Приведены причины и симптомы дефицита микроэлементов
у растений, способы их адаптации к условиям дефицита и
экологические факторы, влияющие на реализацию адаптивных
механизмов. Автор также счел необходимым рассмотреть в этом издании
основные виды и способы применения микроудобрений,
представляющих собой наиболее радикальное средство борьбы с
дефицитом микроэлементов у растений. В настоящее время это широко
распространенное явление выступает фактором, существенно
3
ограничивающим продуктивность и качество
сельскохозяйственных культур.
В аспекте новых (в том числе и собственных) данных в
пособии приведены две главы, обычно не выделяемые в учебниках по
микроэлементам: о микроэлементах в семенах и о комплексах
микроэлементов. Следует подчеркнуть, что микроэлементы
(особенно металлы) большей частью содержатся в тканях растений
именно в форме комплексов. Рассмотрение свойств комплексов
принципиально для понимания многих процессов, происходящих с
участием микроэлементов в системе растение—почва.
Автор выражает искреннюю благодарность своим коллегам —
сотрудникам лаборатории почвенного питания растений
Биологического НИИ, кафедры агрохимии и других подразделений
С.-Петербургского университета, особенно Е. В. Ермиловой,
С. В. Магницкому, Л. П. Коробейниковой, И. В. Матвееву.
Автор чрезвычайно признателен рецензентам издания
профессорам В. Н. Ефимову, Г. Я. Жизневской и С. С. Медведеву, а также
Н. Д. Алехиной и Д.Б. Вахмистрову за их очень ценные
замечания и советы по работе.
От всей души автор благодарит свою семью, без поддержки
которой издание этого учебного пособия было бы невозможно.
СПИСОК СОКРАЩЕНИИ
АБК — абсцизовая кислота
АДФ — аденозин-5-дифосфат
АТФ — аденозин-5-трифосфат
В-АТФаза — аденозинтрифос-
фатаза вакуолярная
В-ПФаза—пирофосфатаза
вакуолярная
ГБЭД — гидроксибензилэти-
лендиаминдиуксусная кислота
ГК — гуминовые кислоты
2, 4-Д — дихлорфеноксиуксус-
ная кислота
ДНК — дезоксирибонуклеино-
вая кислота
ДТПА — диэтилентриамин-
пентауксусная кислота
ДЦКД — дициклогексилкар-
бодиимид
ДЭС — диэтилстильбестрол
ЕАО — емкость анионного
обмена
ЕКО — емкость катионного
обмена
ЖКУ — жидкие комплексные
удобрения
ИЭТ — изоэлектрическая точка
ИУК — индолилуксусная
кислота
№КМЦ — натриевая соль кар-
боксилметилцеллюлозы
НАДФ(Н) — никотинамидаде-
ниндинуклеотидфосфат
(восстановленный)
НиР — нитритредуктаза
HP — нитратредуктаза
НСР — наименьшая
существенная разница
НТА — нитрилтриуксусная
кислота
НТФ — нитрилтриметилен-
фосфоновая кислота
ОЭДФ—гидроксиэтилиденди-
фосфоновая кислота
ПВС — поливиниловый спирт
ПМ — плазматическая
мембрана
ПМУ — полимикроудобрения
ППК — почвенно-поглощаю-
щий комплекс
РБФ —рибулозо-1,5-&/сфосфат
РБФК/О — рибулозо- 1,5-бис-
фосфаткарбоксилаза / оксигеназа
РН К — рибонуклеиновая
кислота
мРНК — матричная
(информационная) РНК
РЦ — реакционный центр
СОД — супероксиддисмутаза
СП — свободное пространство
(корня)
УФ — ультрафиолетовый
ФАД — флавинадениндинук-
леотид
Фд — ферредоксин
ФЕП — фосфоенолпировиног-
радная кислота (фосфоенолпируват)
ФК — фульвокислоты
ФС I, II — фотосистема I, II
ЦГДТА — циклогександиамин-
тетрауксусная кислота
ЭДДА — этилендиаминдиук-
сусная кислота
ЭДДГА — этилендиаминдигид-
роксифенилдиуксусная кислота
ЭДДОФА — этилендиаминди-
гИдроксифенилуксусная кислота
ЭДТА — этилендиаминтетра-
уксусная кислота
5
ЭДТФ — этилендиаминтетра-
метиленфосфоновая кислота
ЭПР — электронный
парамагнитный резонанс
ЭТЦ — электронтранспортная
цепь
ЯМР — ядерный магнитный
резонанс
GA3 — гиббереловая кислота
Км— константа Михаэлиса
L — лиганд
М — металл
Мосо — молибдокофактор
RG II — рамногалактурон II
Кшх — скорость
ферментативной реакции при
насыщающих концентрациях
1. КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
Основное назначение этой главы — познакомить
читателя с существующими классификациями элементов
питания растения. Рассмотрены основные принципы
деления питательных элементов на макро- и
микроэлементы. Дано определение понятий «необходимый и
полезный для растений элемент». Приведена таблица
необходимых и полезных для высших растений химических
элементов.
Значение элементов питания для организмов вообще и
растений в частности трудно переоценить. Питательные элементы
входят в состав клеточных структур, участвуют в
разнообразных биохимических процессах, определяют конформацию
органических молекул и проницаемость мембран, влияют на
функционирование сигнальной системы живых организмов.
Благотворное влияние питательных веществ на рост растений известно
давно. В древних системах земледелия для повышения урожая
культурных растений широко использовались минеральные
добавки: зола и разнообразные известковые материалы. Участие в
биохимических процессах элементов тесно связано с их
распространенностью и доступностью в земной коре. Степень
распространенности большинства химических элементов в земной коре
является, как известно, функцией их атомного номера (рис. 1.1).
К настоящему времени в растительны^ тканях обнаружено
свыше 80 элементов периодической системы Менделеева.
Закономерности распространения химических элементов в растениях
аналогичны, за некоторыми исключениями, таковым в земной
коре (рис. 1. 2), что свидетельствует о «земном» генезисе
элементов в растительных тканях и тесной связи между
распространенностью элементов в растениях и земной коре с атомным
номером элемента.
7
я
X
О
X
О 10 20 30 40 50 60 70 80
Атомный номер
Рис. 1. 7. Содержание химических элементов в земной коре
в зависимости от их атомного номера [по: Williams, 1997J
юь
ю4-рн
юЧ
К)2
104
10и
10*
10"
кг3-
!0~Ч
10"
10"
10"
о Земная кора
• Растение
Для земной коры
■1г: 1.6-Ю"'8
■Ро:9,6-Ю"13
•R* 3,9-КГ9
Ас: 2,4 • 10 п
Ра: 6,0-10"9
Pa Ra. Ас. Ра?
Атомный номер
Рис. 1. 2. Средние концентрации в растениях и земной коре
82 природных элементов как функция их атомной массы
[по: В. Markert. Instrumental Element and Multi-Element Analysis of Plant Samples.
1996; воспроизведено с любезного разрешения John Wiley & Sons Limited]
9
Химические элементы классифицируют на макро- и
микроэлементы. Это деление осуществляют по принципу
количественного содержания элемента в тканях организма. Концентрация
питательных макроэлементов: азота, фосфора, серы, калия,
магния, кальция, в растительном организме может достигать
десятков или даже сотен микромоль на 1 г сухой массы. К группе
микроэлементов относят, например, железо, марганец, цинк,
медь, бор, молибден; их концентрация в растениях обычно не
превышает нескольких единиц микромоль на 1 г сухой массы.
Для большинства микроэлементов в нормальных условиях
произрастания растений значения этого показателя составляют лишь
десятые доли микромоль на 1 г сухой массы. Однако деление на
макро- и микроэлементы по массе элемента в организме довольно
условно. Растения отдельных видов и генотипов
специфически аккумулируют микроэлементы в масштабах, сравнимых с
накоплением в тканях макроэлементов. В частности, избыточным
концентрированием хлора, а также брома и натрия
характеризуются растения-галофиты. Растения-металлофиты
аккумулируют медь, никель, цинк, свинец, кадмий. В высоких
концентрациях все микроэлементы (а из них многие по величине
атомной массы относятся к тяжелым металлам) сильно токсичны для
организмов.
Химические элементы играют разную роль в жизни
растений. Значение отдельных химических элементов в эволюции
жизненных форм растений на Земле в некоторой степени
помогает понять классификация, основанная на распространенности
элементов в растениях и земной коре (рис. 1. 3). Химические
элементы объединены в три группы. В состав группы I входят
элементы, большей частью необходимые для жизни хотя бы
некоторых организмов. Группа III объединяет элементы,
играющие пассивную роль в эволюции и не включенные в в
биохимические процессы организмов. Типичными представителями
этой группы выступают металлы платиновой группы и
актиноиды. Наконец, группа II включает в себя элементы, токсичные
даже в низких концентрациях. Однако некоторые из этих
элементов, например молибден или иод, все же требуются
растениям. Их высокая токсичность является, по-видимому, одной
из причин низкого содержания этих элементов в растительных
тканях.
10
10~7 1(Г6 1(Г5 ](Г4 Ю"3 1(Г2 Ю"1 10° 10' 102 103 Ю4 105
Концентрация в растениях, ммоль/кг сухой массы
Ямс. / 3. Средние концентрации химических элементов в растениях по
отношению к средним концентрациям химических элементов в земной
коре [модифицировано по: В. Markert. Instrumental Element and Multi-
Element Analysis of Plant Samples. 1996; воспроизведено с любезного
разрешения John Wiley & Sons Limited]
Химические элементы подразделяют на элементы необходимые
и полезные для растений. Термин «необходимый питательный
элемент» предложен Д. Арноном и Стаутом (1939) для обозначения
элементов, удовлетворяющих следующим требованиям:
1) без элемента жизненный цикл конкретного растения не
может завершиться;
2) физиологические функции, выполняемые с участием
элемента, не могут осуществляться при его замене другим элементом;
11
3) элемент должен непосредственно вовлекаться в метаболизм
растения, например, как компонент его важной структуры или
участник стадии метаболизма.
Деление химических элементов периодической системы по
степени необходимости для растений представлено ниже (рис. 1. 4).
Однако термин «необходимый питательный элемент»
условен. Сложности с его использованием возникают, в частности,
при сравнении высших и низших организмов, а также растений
и животных. Так, до сих пор не доказана необходимость
кальция и бора для многих видов грибов. Животным также не
нужен бор. Дискутируется необходимость никеля и кобальта для
осуществления физиологических процессов растения. В то же
время обнаружено положительное влияние на физиологические
функции малых количеств таких элементов как кадмий и
свинец, которые ранее рассматривались с позиций токсичности.
Обладая определенной избирательностью, высшие растения на
этапе поглощения не в состоянии обеспечить абсолютную
селективность по отношению к необходимым для них
минеральным элементам. До недавнего времени к бесспорно
необходимым микроэлементам относили железо, марганец, цинк, медь,
молибден, бор и хлор. В последнее время список необходимых
для растений микроэлементов, составленный X. Маршнером
(1997), пополнился никелем.
Полезными называют такие питательные элементы, которые
могут стимулировать рост и развитие растений, но в полной мере
не соответствуют требованиям (см. выше), предъявляемым к
необходимым элементам. К полезным также относят элементы,
которые необходимы только в определенных условиях или для
некоторых видов растений. В настоящее время полезными для
растений элементами считают натрий, кремний, кобальт, селен,
алюминий.
Вместе с тем следует иметь в виду, что развитие
представлений о физиологической необходимости минеральных
элементов тесно связано с научно-техническим прогрессом, особенно
в области молекулярной биологии, аналитической химии и
физики. Чрезвычайно сложно измерить следовое и
ультраследовое количество химических элементов и доказать их роль в
том или ином физиологическом процессе. Поэтому отдельные
12
а
2^
ON
О
оо
ОО
„
ЧО
ЧО
со
PQ
со
„48
го
О
ГО
ГО
1 И
PQ
3
со
«и
ГА
>
ГО
Н
CS
«Л
ГО
Н
*0
- ел
«л
с
ОО О
*
$
Рч
ЧО "
"3"
О
5
N
о
ГО
(Л
оо
го
го
чо '^
оо
„3
оо
о
оо
S
го
оо
оо
оо
offi
оо
3
ON
г-
а.
оо
JU
г-
о
ЧО
г--
.*
г^
го w
г-
«4-1
ffl
г-
«л
с*
ел
.а:
о
оо
оо ^^
ОО
00
О)
ж
со
§
3
н
X
1)
я
(D
Ч
S
о
&
л
S
V
А
S
S
Ч
О
X
ю
о
d>
X
л
н
Ж
о
S
о
г^
ГО
О
й*
s
S
<L>
Л
S
s
ч
о
X
ю
о
4>
К
К
3
н
н
S
£
13
элементы, не обнаруженные с помощью лабораторных методов,
могут содержаться в виде примесей в питательных средах или
в воздухе в количестве, достаточном для предотвращения
проявления у организма симптомов дефицита. Деление
микроэлементов на необходимые и полезные особенно затруднено, если
элементы содержатся в организме в следовых количествах.
Подтверждением тому служит недавний «перевод» никеля в список
необходимых микроэлементов из числа полезных. В будущем,
с разработкой новых методов, список необходимых элементов,
возможно, будет расширен.
По физиологическим функциям в организме необходимые
химические элементы делят на три основные группы: структурные,
потенциалобразующие и выполняющие каталитические функции.
К структурным относят элементы (С, Н, О, N, S и др.),
задействованные в конструкции молекул (белков, липидов, углеводов,
нуклеиновых кислот) или придающие им механическую прочность
и адекватную конформацию. Из микроэлементов такую функцию
могут в определенной степени выполнять бор и, особенно, цинк.
Например, цинк не только участвует в каталитических реакциях,
но и играет роль в интеграции мембран и конформации ДНК
растений. Потенциалобразующие элементы (К, Na и др.)
необходимы для поддержания специфических электрохимических
потенциалов и осмотических функций клетки. Из группы
микроэлементов выполнение такой функции найдено только для хлора, главным
образом в тех органах или компартментах клеток растений, где он
может накапливаться в повышенном количестве (вакуоль,
замыкающие клетки устьиц). Однако подавляющее большинство
микроэлементов относится к группе элементов с каталитическими
функциями. Их главная роль — участие в ферментативных
реакциях организма.
В литературе можно встретить и другие варианты
классификации химических элементов. Например, одна из них,
разработанная К. Менгелем (1987), основана на учете физиологических
функций элементов и формы поглощения растением. Согласно этой
классификации необходимые микроэлементы отнесены ко второй,
третьей и четвертой группам (таблица).
В настоящем издании использован традиционный подход к
классификации химических элементов, который несмотря на не-
14
Классификация элементов питания растений
[по: Mengel, Kirkby, 1987]
Элемент питания
Поглощение
Биохимические функции
Группа 1
С, Н, О, N, S
Группа 2
Р, В, Si
Группа 3
К, Na, Mg, Са,
Mn, C1
Группа 4
Fe, Cu, Zn, Mo
В форме СО,, НСОз",
Н20, О,, NOr, NH4+,
N2, S042~, S02.
Ионы из почвенного
раствора, газы из
атмосферы.
В форме фосфатов,
борной кислоты или
боратов, силиката из
почвенного раствора.
В форме ионов из
почвенного раствора.
В форме ионов, хе-
(латов из почвенного
раствора.
Главные структурные
элементы органических веществ.
Необходимые элементы для
групп атомов, вовлеченных в
ферментные процессы.
Ассимиляция путем
окислительно-восстановительных
реакций.
Участвуют в образовании
эфирных связей с
природными спиртовыми группами.
Фосфатные эфиры включены
в реакции переноса энергии.
Неспецифические функции,
связанные с регуляцией
осмотического потенциала.
Более специфичны реакции, в
которых ион обеспечивает
оптимальную конформацию
белков-ферментов
(активация ферментов). Образуют
мостиковые связи.
Балансировочные анионы.
Контролируют проницаемость
мембран и электропотенциалы.
Преимущественно
содержатся в форме хелатов,
включенных в простатические группы
ферментов. Участвуют в
транспорте электронов путем
изменения валентности
достатки получил широкое распространение. В список
обсуждаемых микроэлементов включено девять химических
элементов: железо, марганец, цинк, медь, молибден, хлор, бор, никель
и кобальт. Семь из них (Fe, Mn, Zn, Си, Мо, В и О)
бесспорно относят к необходимым для растений микроэлементам. В
последнее время этот перечень пополнился никелем. Пожалуй,
наиболее дискуссионным выглядит включение в этот список
15
кобальта. Зарубежные авторы, как известно, относят кобальт к
полезным элементам. Однако граница между необходимыми и
полезными элементами достаточно условна. Кроме того,
оказалось, что этот элемент необходим не только для бобовых, но и
для некоторых небобовых растений. Необходимость кобальта для
довольно широкой группы высших растений, а также его
низкая концентрация в растительных тканях послужили основанием
для включения кобальта в число рассматриваемых в этом
пособии микроэлементов.
2. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ПОЧВЕ
В главе содержится информация о разнообразных
формах микроэлементов в почвах. Описаны
закономерности распределения различных форм микроэлементов
по почвенному профилю. Приведены критерии оценки
подвижности микроэлементов в почве и их
доступности растениям. Проанализированы основные факторы,
влияющие на подвижность микроэлементов в почве
и их усвоение растительным организмом.
2. 1. ИСТОЧНИКИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
ЖЕЛЕЗО
Относится к побочной подгруппе восьмой группы
периодической системы. Атомный номер 26, атомная масса 55,847±3. В
образовании химических связей участвуют не только электроны
внешнего s-подуровня, но и предыдущего недостроенного
^-подуровня. Относительно невысокие значения энергии ионизации
атома железа (Fe) обусловливают слабую связь внешних
электронов с ядром, проявление элементом положительной валентности
в соединениях и характерных свойств металлов. Особенности
строения атома железа, типичные для переходных элементов,
определяют переменную валентность у этого металла, а также его ярко
выраженную способность к комплексообразованию.
Железо — один из главных компонентов литосферы,
составляет около 5 % ее массы и занимает четвертое место после
кислорода (49,4 %), кремния (28,6) и алюминия (8,3 %). Встречается
преимущественно в магматических и ультраосновных породах. В
почвах различают силикатные и несиликатные (свободные) формы.
17
Силикатные формы входят в состав кристаллических решеток
первичных и вторичных минералов. К основным почвообразующим
минералам железа относятся следующие: гематит (oc-Fe203),
преимущественно встречающийся в почвах аридных, семиаридных и
тропических регионов; маггемит (y-Fe203), формирующийся в
почвах тропических зон; гетит (a-FeOOH), широко
распространенный в почвах всех климатических зон; лепидокрокит (у-
FeOOH), характерный для слабо дренируемых почв, его
образование обычно происходит при низких значениях рН и
температуры; пирит (FeS2), сульфид железа (FeS) пярозит (KFe3(S04)2(OH)6),
распространенные в богатых серой затопляемых почвах.
Несиликатные формы железа подразделяют на окристалли-
зованные, аморфные и подвижные (обменные,
водорастворимые). Последние имеют наибольшее значение для
минерального питания растений. В почвах подвижные формы
представлены в основном органоминеральными соединениями и ионами.
Подвижность железа в почве определяется растворимостью его
соединений, зависящей как от реакции (рН) (рис. 2. 1) и
окислительно-восстановительного потенциала (Eh) среды, так и от
процессов комплексообразования. Из расчетов диаграмм
растворимости большого числа соединений железа следует, что
наименьшей растворимостью в воде характеризуется гидроксид Fe3+.
Он образуется при более низких значениях рН (2,3—3,4), чем
гидроксид Fe2+ (5,8—7,8). Возможно, растворимость гидрокси-
да трехвалентного железа входит в число основных факторов,
контролирующих подвижность железа в почве. В хорошо
аэрируемых почвах соединений Fe2f немного, следовательно,
невелико и общее содержание растворимых форм железа.
Экстремально низкое содержание последних, вызывающее у растений
симптомы дефицита железа, отмечено в широко распространенных
в аридных районах карбонатных почвах, а также в
переизвесткованных кислых почвах, характеризующихся повышенными
значениями рН и Eh. В диапазоне рН от 7 до 9 минеральные
формы железа представлены, главным образом в форме Fe(OH)2+,
Fe(OH)3 и Fe(OH)4~. Их концентрация в почвенном растворе
составляет около КГ10 моль/л. Концентрация растворимого
железа, необходимая для нормального роста растений, должна
быть на несколько порядков выше (10~6—10~5 моль/л). В
кислых, особенно гидроморфных почвах создаются благоприятные
18
Рис. 2. 1. Растворимость соединений железа в зависимости от рН
[по: Lindsay, 1974].
Пунктирными линиями обозначены 100%- (верхняя линия) и 1 %-ный
(нижняя) уровни потребности растений в этом микроэлементе.
условия для восстановления Fe3+ до Fe2+, что способствует
повышению растворимости соединений железа. Однако
концентрация железа в растворах гидроморфных почв может достигать
токсичного для растений уровня. Соединения железа с
органическим веществом почвы представляют собой важный резерв
доступных соединений этого металла для растений.
Взаимодействуют с железом в основном гуминовые вещества, органические
кислоты, фенолы и сидерофоры.
Образованию комплексных соединений микроэлементов с гу-
миновыми веществами способствует их структура, а именно
полимерные цепи функциональных групп, участвующие в
координации металлов. Взаимодействие металлов, в том числе и железа,
с гуминовыми веществами может сопровождаться
формированием водорастворимых и малорастворимых в воде соединений.
Растворимость комплексов зависит от химической природы и
соотношения компонентов, а также от реакции среды.
19
Обычно гуминовые кислоты характеризуются большей, чем
фульвокислоты, склонностью к образованию нерастворимых
соединений с металлами. Поэтому фульватные комплексы железа
рассматривают в качестве важного фактора, определяющего как
миграцию этого металла по профилю почвы, так и его доступность
растениям. Как правило, миграционная способность и доступность
растениям фульватных комплексов железа, а также марганца с
увеличением молекулярной массы снижаются. Подробная
информация о физиологической роли комплексов железа с
органическими кислотами и сидерофорами содержится в главе 6.
МАРГАНЕЦ
Принадлежит побочной подгруппе седьмой группы
периодической системы. Атомный номер 25, атомная масса 54,9380±1. В силу
своих физико-химических свойств марганец (Мп) относится, как
и железо, к переходным З^-элементам. Обладает переменной
валентностью, но меньшей, чем железо, способностью к комплексо-
образованию.
Это один из наиболее распространенных микроэлементов в
литосфере. Среднее содержание марганца в земной коре 1000 мг/кг,
в горных породах 350-2000 мг/кг, он превалирует в основных
почвообразующих породах. В почвах встречается в виде
различных солей, оксидов, гидроксидов и комплексных ионов. Оксиды
в основном представлены аморфными соединениями, но в
некоторых почвах идентифицированы и кристаллические
разновидности. Из последних наиболее устойчивы пиролюзит (Р-Мп02),
манганит (у-MnOOH) и гаусманит (Мп304). Марганец образует ряд
минералов, в которых обычно находится в степени окисленности
Мп (II), Мп (III) и Мп(Г/). В породообразующих силикатных
минералах более распространено состояние Мп (II). Геохимия
марганца сложна и в значительной степени определяется значениями
рН и Eh среды (рис. 2. 2). В аэробных условиях при значениях
рН, близких к нейтральным, соединения марганца характеризуются
низкой растворимостью. Снижение растворимости марганцевых
соединений в щелочной среде обусловлено образованием
гидроксидов. В кислом и нейтральном почвенных растворах меньшей,
чем гидроксиды, растворимостью характеризуется гидрофосфат
20
12
3
-,80
60
с
40 .§.
о,
20
4,5
5,5
рН
6,5
Pwc. 2 2. Растворимость соединений марганца в почвах
при различных значениях рН [по: Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989].
/ — в почве в целом (0,01 моль/л СаС12), 2 — в почве из ризосферы
(0,01 моль/л CaCi2), 3— в растворе цитрата (0,01 моль/л), 4 — в корневых
экссудатах после 72 ч выделения.
марганца, образование которого контролирует подвижность этого
металла в указанных условиях. Направленность
окислительно-восстановительных реакций с участием соединений марганца зависит
от деятельности микроорганизмов. Из микроорганизмов,
участвующих в окислении и аккумуляции марганца, наиболее изучен
Metallogenium.
Марганец образует соединения с гуминовыми веществами почв.
Повышенной миграционной способностью и доступностью для
растений отличаются соединения марганца с фульвокислотами.
Основными геохимическими барьерами на пути миграции марганца
в почвах выступают щелочная реакция среды, карбонаты,
повышенное содержание гумуса.
Больше всего подвижных форм марганца (экстракция 0,1 н.
раствором H2S04) находится в дерново-подзолистых почвах (50—
21
150 мг/кг). В черноземах количество подвижного марганца колеблется
в пределах 1—75 мг/кг, в сероземах 1,5—125, в каштановых и бурых
1,5—75 мг/кг. Наименьшее содержание подвижных форм марганца
отмечено в карбонатных и перегнойно-карбонатных почвах.
ЦИНК
Относится к побочной подгруппе второй группы периодической
системы. Атомный номер 30, атомная масса 65,39±2. В отличие от
железа и марганца цинк (Zn) характеризуется полностью
заполненным ^-подуровнем, удаление электронов из которого требует
большой затраты энергии. Поэтому цинк, обладая типичными
свойствами металла, проявляет стабильную валентность +2. Этот элемент
характеризуется высокой комплексообразующей способностью.
Цинк широко распространен в природе, его среднее
содержание в земной коре составляет около 83 мг/кг, а в поверхностных
слоях почв изменяется от 17 до 125 мг/кг. Содержание валовых
форм цинка в кислых породах ниже, чем в основных. В породах
цинк находится главным образом в виде простого сульфида (ZnS),
кроме того замещает Mg2+ в силикатах. При выветривании
минералов образуется подвижный Zn2+, который легко адсорбируется
как минералами, так и органическими соединениями. В большей
части почв цинк аккумулируется в поверхностных горизонтах и в
основном ассоциирует с гидроксидами железа и алюминия и
глинистыми минералами. Адсорбция Zn2+ может ослабляться при
низких значениях рН (< 7) вследствие конкуренции с другими
ионами. Это приводит к повышению мобильности цинка в
кислых почвах. Растворимость цинка в почвах, а следовательно, и
доступность растениям, зависит от содержания глинистых
минералов и гидроксидов железа и алюминия, а также от величины рН
среды. Осаждение цинка (в отличие от железа и марганца) в виде
гидроксидов, карбонатов и сульфидов имеет второстепенное
значение. Вместе с тем существует обратная зависимость между
растворимостью соединений цинка и насыщенностью почв
кальцием и фосфором, что обусловлено повышенной сорбционной
способностью таких почв. Коэффициент диффузии цинка в
карбонатных почвах в среднем в 50 раз ниже, чем в кислых.
Константы устойчивости комплексов цинка с органическими веществами
22
почвы относительно низкие, доля таких комплексов в почвенных
растворах сильно возрастает при значениях рН > 7.
В воде при отсутствии других комплексообразователей и
адсорбентов цинк координируется шестью молекулами воды и находится
в форме аква-иона (Zn (H20)6)2+. В свежей воде цинк существует
исключительно в виде аква-иона в диапазоне рН 4-7. В
типичных речных водах цинк встречается в этой же форме, а также в
виде ZnHC03\ ZnC03 и ZnS04.
В почвах различают водорастворимые, обменные,
легкорастворимые (непрочносвязанные), кислоторастворимые, фиксированные
и прочно фиксированные формы цинка. Классификацию
детализируют в зависимости от природы соединений, в состав которых
входит цинк (в составе органического вещества, глинистых
минералов и др.). Двухвалентный катион рассматривают как основную
и наиболее подвижную форму цинка, однако в почвах
встречаются и другие ионные формы, в том числе анионные: [ZnCl3]~,
[ZnCl4]2~. В кислых дерново-подзолистых почвах содержание
подвижных форм цинка (1 н. КС1) выше (0,12-20 мг/кг), чем в
почвах с близкой к нейтральной и щелочной реакцией среды. В
черноземах, сероземах, каштановых и бурых почвах содержание
подвижных форм цинка обычно не превышает 0,25 мг/кг.
МЕДЬ
Принадлежит побочной подгруппе первой группы
периодической системы. Атомный номер 29, атомная масса 63,546±3. Во
внешнем s-слое имеет один электрон. Медь (Си) и все элементы ее
подгруппы являются предпоследними членами декад J-элементов,
характеризующихся довольно устойчивой структурой. Вместе с тем
предпоследний подуровень стабилизирован недостаточно и
способен к частичной потере электронов. В связи с этим медь, проявляя
свойства металла, может находиться в форме не только одно-, но и
двухвалентного катиона, последний для нее даже более
характерен. Элемент обладает очень сильными комплексообразующими
свойствами.
Общее содержание меди в земной коре сравнительно
невелико — не превышает 0,01 %. Высоким содержанием меди
характеризуются основные изверженные породы, менее богаты ею
23
кислые массивно-кристаллические породы, незначительные
количества меди содержатся в известняках, доломитах, валунных
суглинках и песках. Медь образует множество минералов,
среди них наиболее распространены первичные минералы —
простые и сложные сульфиды. Они подвержены выветриванию
(особенно в кислой среде), которое сопровождается появлением в
среде ионов меди. В почвах различают следующие формы меди:
водорастворимые, обменные (поглощенные органическими и
минеральными коллоидами), труднорастворимые медные соли,
медьсодержащие минералы, комплексные органические
соединения. Преобладающей формой меди является ее
двухвалентный катион Си2+, но отмечаются и другие формы, в том числе
анионные: Cu(C03)22~, Cu(OH)42~, Cu(OH)3~ и др. Медь
представляет собой один из наименее подвижных в почве
микроэлементов. Ее подвижность в почве и доступность растениям во
многом зависят от процессов адсорбции и комплексообразова-
ния. Наибольшие количества меди адсорбируют оксиды железа
и марганца (гематит, гётит, бернессит), аморфные гидрокисды
железа и алюминия, глинистые минералы (монтмориллонит,
вермикулит, имоголит). Практически все минералы почв
способны адсорбировать ионы меди. Адсорбция зависит от заряда
поверхности адсорбента, который строго контролируется
величиной рН среды. Растворимость большинства катионных и
анионных форм меди понижается при рН 7—8.
Комплексообразование с органическими соединениями
представляет собой ключевую реакцию, определяющую состояние меди
в почве. Гуминовые вещества образуют растворимые и
нерастворимые комплексы с этим металлом. Их растворимость зависит от
свойств и количества органических соединений, а также от
условий комплексообразования. В почвенном растворе среди
растворимых форм меди преобладают ее комплексы с органическими
соединениями, что обусловлено высокой комплексообразующей
способностью металла.
Наиболее доступны для растений водорастворимые и обменно-
сорбированные почвой соединения меди. Наименьшее содержание
подвижных форм (1 н. НС1) этого металла отмечается в
торфянистых и дерново-подзолистых почвах (0,05—5 мг/кг). В черноземах,
каштановых и других почвах концентрация подвижных
соединений меди колеблется от 4 до 14 мг/кг.
24
МОЛИБДЕН
Относится к побочной подгруппе шестой группы
периодической системы. Атомный номер 42, атомная масса 95,94±1.
Наружный 5-слой атома содержит один электрон, что обусловливает
проявление этим элементом типичных свойств металла. Однако в
образовании связей могут участвовать и электроны предыдущего
недостроенного d-слоя, поэтому молибден (Мо) — металл с
переменной валентностью. В своих соединениях проявляет степени
окисленности от VI до II. Наиболее стойкие соединения Mo(VI).
Элемент легко образует комплексные соединения.
Содержание молибдена в земной коре, по сравнению с
другими микроэлементами, незначительно. В гранитах и других кислых
магматических породах оно составляет 1-2 мг/кг, в глинистых
отложениях, богатых органическим веществом, может превышать
2 мг/кг. В почвах мира валовое содержание молибдена колеблется
от следовых значений до 17 мг/кг.
Входит в состав многих минералов, среди которых молибденит
(MoS2) известен как концентратор большей части земного
молибдена. Геохимия молибдена в основном связана с его анионными
формами, образование которых зависит от рН и Eh среды. В
нейтральном и умеренно щелочном интервале рН преобладает Мо042~, а в
кислом НМо04~. В почвах минеральные формы молибдена
адсорбированы главным образом оксидами железа. Формы молибдена,
адсорбированные свежеосажденным Fe(OH)3, относятся к легко
обменным, но со временем становятся менее растворимыми, что
обусловлено образованием ферримолибдита (Fe2(Mo04)3 * 8Н20) или других
плохо растворимых FeMo-полукристаллических форм.
Доступность молибдена растениям во многом зависит от рН
и Eh среды (рис. 2. 3). В увлажненных щелочных почвах
подвижность молибдена выше, что обусловлено, по-видимому,
повышенной растворимостью образуемого при этих условиях
Мо042~, а также тиомолибдатов (в восстановительных
условиях). В кислых почвах при рН < 5,5 молибден трудно доступен
растениям. В связи с этим один из эффективных способов
повышения доступности молибдена растениям состоит в
известковании кислых почв. Растениям доступны водорастворимые и
обменные формы молибдена. Меньше всего подвижных и
валовых форм молибдена (до 0,06 мг/кг) содержат дерново-'под-
25
ou
b
кг/i
я
cf 40
3
Ou
О
3
s
Q. 20
S
аст
0ч
. 7
/
/
/
1
/
/
/
/
/
/
2/
/
/
/
/
/ 1
i
-\
и 2
46
10
14
pH
Рис. 2. 3. Растворимость (/) соединений молибдена и его активность (2)
в зависимости от рЫ почвы [по: Кабата-Пендиас, Пендиас 1989]
золистые почвы легкого гранулометрического состава, а также
торфяные почвы верховых и переходных болот. В карбонатных
почвах концентрация растворимых форм молибдена может
достигать 1 мг/кг.
БОР
Принадлежит главной подгруппе третьей группы
периодической системы. Атомный номер 5, атомная масса 10,811 ±5.
Содержит на внешних подуровнях (s и р) три электрона.
Металлические свойства у всех элементов этой подгруппы выражены
слабее, а у бора (В) преобладают неметаллические свойства. В
соединениях проявляет степень окисленности +3. По ряду свойств
сходен с кремнием. Способен участвовать в реакциях комплек-
сообразования.
Относится к числу рассеянных элементов и в небольших
количествах встречается повсеместно. В магматических породах
содержание бора возрастает с увеличением их кислотности.
Образует ряд минералов, в основном гидроксидов и силикатов, из
26
которых в почвах более широко представлены минералы
группы турмалина. В процессе химического выветривания образует
анионы В02 , В4072~, В033", Н2В03", В(ОН)4~. Может
сорбироваться глинами, органическим веществом и пол узорными
оксидами, с последними наиболее сильно. Механизмы адсорбции
бора компонентами почвы пока изучены недостаточно.
Основная роль в этом процессе, по-видимому, принадлежит
ассоциации бора с кислородными и гидроксильными радикалами
алюмосиликатов. Адсорбция бора зависит от рН, она максимальна
при щелочной реакции среды (рис. 2. 4).
Анионы бора сильнее сорбируется почвой, чем анионы СГ и
N03~. Однако микроэлемент бор — наиболее подвижный. Его
миграция по почвенному профилю зависит от гидрологических
условий. Распределение валового бора по профилю почвы тесно
связано с гранулометрическим составом ее генетических
горизонтов. Как правило, содержание бора выше в горизонтах с большей
долей тяжелых гранулометрических фракций почвы.
Значительная часть бора связана с органическим веществом почвы.
Поэтому в органогенных почвах (торфяных) содержание бора может
превышать 23 мг/кг. Причем в водную вытяжку из этих почв
может переходить 2—20 % бора от его общего содержания.
В среднем содержание подвижных форм бора составляет 3—10 %
Концентрация бора в почвенном растворе, ммоль/л
Рис, 2. 4. Адсорбция бора почвой в зависимости от рН почвы
и концентрации бора в растворе [по: Mengel, Kirkby, 1987]
27
от валового. По-видимому, гуминовые вещества торфяных почв
связывают бор менее прочно, чем минеральные соединения. К
малообеспеченным почвам относятся песчаные и супесчаные почвы
различных типов, в которых содержание водорастворимых форм
бора не превышает 0,2 мг/кг.
ХЛОР
Входит в главную подгруппу VII группы периодической
системы. Атомный номер 17, атомная масса 35,453±1. Во внешнем
электронном слое содержит 7 электронов: 2 на s- и 5 на /ьорбита-
лях. Как и все галогены, хлор (О) обладает значительным
сродством к электронам, присоединение которых сопровождается
образованием однозарядных анионов. Это свойство характеризует
хлор как типичный неметалл.
Среднее содержание хлора в земной коре составляет 1,7 ■ 10~2 %
по массе, в кислых изверженных породах 2,4 • 10~2, а в основных
и ультраосновных 2 • 10~2 %. В природе этот элемент встречается
только в виде соединений, главным образом хлоридов. По
растворимости различают две основные группы природных хлоридов.
К первой группе относят растворимые водные и безводные
хлориды натрия, калия, аммония, магния, кальция, алюминия,
марганца, железа. Основными минералами этой группы являются галит
(NaCl), сильвин (КС1), нашатырь (NH4C1), бишофит (MgCl2- 6H20),
карнааит (KMgCl3 • 6Н20), ринеит (NaK3FeCl6) и др. Ко второй
группе относят нерастворимые хлориды меди, свинца, серебра, ртути,
мышьяка, сурьмы и других элементов. Минералы этой группы: нан-
токит (CuCl), коннелит (Cul9Cl(OH)32S(V 4H20), матлокит (PbFCl)
и др., образуются в зоне окисления рудных месторождений в
условиях сухого климата. В верхних горизонтах подзолистых почв
содержание хлора составляет (2—4) • 10~3 % от массы сухой
почвы, серых лесных около 3 • 10~3 %, черноземов (2,5—4,5) * 10~3 %.
Подвижная форма хлора в почвах представлена анионом СГ,
адсорбционная способность которого ниже Н2Р04~ и S042~, но
выше N03~. Анион хлора практически не сорбируется
органическим веществом почвы, илами и торфами. Закономерности
распределения хлора по профилю почвы в основном
определяются водной миграцией.
28
НИКЕЛЬ
Принадлежит побочной подгруппе восьмой группы
периодической системы. Атомный номер 28, атомная масса 58,69±1.
Относится к переходным 3 J-элементам, проявляет свойства металла
с переменной валентностью (II, III). По своим свойствам никель
(Ni) аналогичен железу и кобальту. Образует разнообразные
устойчивые комплексные соединения.
По закономерностям распределения в земной коре сходен с
кобальтом и железом. Наиболее высокое содержание никеля
обнаружено в ультраосновных породах (1400—2000 мг/кг), в
кислых породах (гранитах) значения этого показателя составляют
5-15 мг/кг. Из осадочных пород глинистые отложения
отличаются более высоким содержанием никеля, чем песчаные.
Присутствует главным образом в форме сульфидов и арсенидов.
Способен замещать железо в железомагнезиальных
отложениях, а также ассоциироваться с карбонатами, фосфатами,
силикатами, оксидами марганца и железа. В верхних горизонтах почв
находится в форме органических комплексов. В почвенном
растворе представлены следующие ионные формы никеля: Ni2+,
NiOH \ HNi02~, Ni (OH)3. Они образуются в условиях, когда
никель не полностью связан в хелатные комплексы.
Растворимость соединений никеля находится в обратной зависимости от
величины рН.
Самые высокие концентрации никеля обнаружены в богатых
органическим веществом глинистых и суглинистых почвах,
сформированных на основных и вулканических породах. В результате
антропогенной деятельности (работа промышленных предприятий,
применение в земледелии осадков сточных вод и некоторых
видов фосфорных удобрений) никель может накапливаться в почвах,
его повышенные концентрации особенно токсичны.
КОБАЛЬТ
Относится к побочной подгруппе восьмой группы
периодической системы. Атомный номер 27, атомная масса 58,9332±1.
Вместе с железом и никелем кобальт (Со) относится к
переходным 3d-элементам. Проявляет свойства металла с переменной
29
валентностью (II, III). По физическим и химическим свойствам
сходен с железом.
Содержание кобальта в земной коре невысокое (18 мг/кг).
Повышенные концентрации кобальта отмечаются лишь в
ультраосновных породах: 100-200 мг/кг, в кислых породах значения
этого показателя составляют 1 — 15, а в осадочных 0,1—20 мг/кг.
Не имеет собственных породообразующих минералов, обычно
входит в состав минералов железа, а также мышьяка, серы и
селена. В природных средах имеет два состояния окисленности:
Со2+ и Со3+, может также образовывать комплексный анион
Со(ОН)3~. Колебания концентрации кобальта в почвах зависят
от состава материнских пород. Распределение кобальта по
генетическим горизонтам зависит от распределения в профиле
почв физической глины, илистой фракции, органического
вещества, оксидов железа. Преимущественно кобальт фиксируют
частицы физической глины. Преобладают соединения кобальта
с глинистыми минералами, гумусовыми соединениями и
оксидами железа. На долю таких соединений, фиксирующих кобальт
в неподвижной или слабоподвижной форме, приходится около
95 % валовых количеств этого элемента. Однако в почвах,
богатых минералами марганца, доминируют соединения кобальта и
марганца. Сорбция кобальта на кристаллических оксидах
марганца зависит от значений рН среды, она происходит по типу
обменных реакций и путем образования Со(ОН)2 на поверхности
оксидов. С увеличением рН среды взаимодействие кобальта с
минеральными и органическими компонентами почвы усиливается, а
доступность микроэлемента растениям снижается. Из глинистых
минералов наиболее существенная роль в фиксации кобальта
принадлежит монтмориллониту и иллиту. Сорбция кобальта почвой
зависит от процессов комплексообразования. Положительно
заряженные комплексы кобальта практически полностью
сорбируются почвенно-поглощающим комплексом (ППК). В профиле
почвы наиболее мобильны комплексы кобальта, несущие
отрицательный заряд.
Концентрация кобальта в растворах большинства почв
относительно низкая: от 0,3 до 87 мкг/л. Содержание подвижных
(1 н. HN03) форм кобальта составляет в дерново-подзолистых
почвах 0,12-3 мг/кг, в черноземах 1,1-2,2, в сероземах 0,9—1,5,
в каштановых 1,1—6, в бурых лесных 0,6-2,2 мг/кг почвы.
30
2. 2. ПОДВИЖНОСТЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
2. 2. 1. Критерии подвижности
Степень обеспеченности почвы биологически доступными
формами микроэлементов играет ключевую роль в минеральном
питании растений. Однако до сих пор не существует однозначного
понимания термина доступность веществ почвы растениям.
Доступность элемента часто отождествляют с его подвижностью, но
и термин «подвижные соединения» определен также недостаточно
четко. В геологических науках под подвижностью элемента или
соединения подразумевается их способность мигрировать в
природных средах. Миграция может осуществляться в виде
растворов, в твердой или газообразной фазах, т. е. в доступной и не
доступной для растений форме. По-видимому, правильнее
считать доступным то количество вещества, которое способно
мигрировать к поверхности корня в результате всех возможных
процессов, происходящих в почве. В настоящее время для оценки
доступности веществ почвы корням растений разрабатывается
новая миграционная концепция, основанная на математическом
моделировании.
В реальной агрохимической и почвоведческой практике под
подвижными обычно понимают такие соединения, которые
экстрагируются той или иной вытяжкой. Наиболее широкое
распространение при оценке содержания в почвах подвижных форм
микроэлементов получили методы равновесной экстракции,
основанные на извлечении элементов из почвы с помощью
различных химических соединений: кислот, щелочей, солей, ком-
плексонов. Относительная легкость и быстрота технического
исполнения, а также отражение в определенной степени
потребностей растений в минеральных элементах обеспечили этим
способам популярность в мировой агрохимической и
почвоведческой практике.
Принципиальный недостаток химических подходов состоит в
том, что с их помощью невозможно адекватно имитировать
сложные процессы взаимодействия растения и почвы, которые
происходят в основном с участием микроорганизмов. При
использовании большей части методов работа осуществляется с суспензиями,
31
полученными после высушивания и измельчения почвы. Такая
процедура подготовки почвенных образцов интенсифицирует
экстракцию веществ и плохо имитирует процессы в нативной
почве. Степень экстракции веществ из почвы зависит от состава эк-
страгентов. Поэтому возникает необходимость в применении
набора шкал для ориентировочной оценки содержания в почвах
доступных форм элементов питания.
В нашей стране широкое распространение получили
следующие способы оценки обеспеченности почв подвижными формами
микроэлементов. Для извлечения подвижных форм
микроэлементов из некарбонатных почв, главным образом лесной зоны,
используют метод Я. В. Пейве—Г. Я. Ринькиса (1963);
характеристика экстрагентов приведена ниже (табл. 2. 1). Согласно
методу Н. К. Крупского—А. М. Александровой (1970) экстракция
микроэлементов (Mn, Co, Cu, Zn) из почв выполняется с
помощью ацетатно-аммонийного буфера, рН 4,8. Этот групповой
экстрагент рекомендуется для оценки содержания
микроэлементов в различных почвах, включая карбонатные и засоленные.
Определение в почве содержания подвижных форм молибдена
в большинстве исследований проводят с использованием
реактива Григга (раствор оксалата, рН 3,5).
Таблица 2. 1
Характеристика экстрагентов при определении подвижных форм
микроэлементов по Пейве-Ринькису
Микроэлемент
В
Мп
Со
Си
Zn
Mo
Вытяжка
Кипящая Н20
0,1 н. H2S04
1 н. HN03
1 н. НС1
1н. KCi
Раствор щавелевой
кислоты и ее
аммонийной соли
(рН 5 или 7)
Экстрагируемая
форма
Водорастворимая
Подвижная
»
»
Обменная
Подвижная
Реагент-
комплексообразователь
Хинализарин
Персульфат аммония
Нитрозо-Л-соль
Дитизон
»
Роданистый калий
о
с
3
S
ц
I
о
к
ее
В
X
«и
а)
&
S
I
I
О
о
с*;
X
О
с X
S .
с
I
О
*-« сГсо
о" I о"
v -1л
о
о I о
О '
о"
>я
о
о
i
?Эл
о" I ^
VcnA
о"
ей
&
S
о
о
CQ
2
О
С
се
m cTwn
V *^Л
со
CN о"00
о" | о"
V CN Л
о"
л
^ I со
§
§
О
|
QQ
О
о
со
ё
а
vSA
ГО о»П
о" | о4
V пл
о"
со
V .
7 v *о л
з &
о _
»Г) ГО О
^ | ГО
V чо Л
wo г^ о
тг I ^
Л
&
о
W "Г »П
VgA
S
из
X
X
Он
«
о
с
a
н
ж
е
«5
Ж
0)
S
О,
33
Таблица 2. 3
Обеспеченность почв микроэлементами для растений разных групп
[по: Микроэлементы в почвах... 1981]
Обеспеченность
микроэлементами
Низкая
Средняя
Высокая
Низкая
Средняя
Высокая
Низкая
Средняя
Высокая
Содержание микроэлементов, мг/кг почвы
Мп
Си
Zn
Со
1 -я группа растений (невысокий вынос элементов)
<5
5-10
>10
<0,1
0,1-0,2
>0,2
<1
1-2
>2
<0,07
0,07-0,15
>0,15
2-я группа растений (повышенный вынос элементов)
<10
10-20
>20
<0,2
0,2-0,5
>0,5
<2
2-5
>5
<0,15
0,15-0,3
>0,3
3-я группа растений (высокий вынос элементов)
<20
20-45
>45
<0,5
0,5-1
>1
<5
5-10
>10
<0,3
0,3-0,7
>0,7
Примечание. Экстрагент — ацетатно-аммонийный буфер, рН 4,8.
В России ориентировочную оценку обеспеченности почв
подвижными формами микроэлементов проводят с учетом
интенсивности их выноса с урожаем растений по шкалам (табл. 2. 2; 2. 3),
разработанным Почвенным институтом им. В.В. Докучаева.
2. 2. 2. Факторы, определяющие подвижность
Содержание подвижных форм микроэлементов в почве
определяется ионообменными процессами. Их интенсивность и
направленность зависят от многих факторов, прежде всего, от свойств
ПГТК. Под ППК понимают совокупность минеральных,
органических и органоминеральных компонентов твердой части почвы,
обладающих ионообменной способностью. Кроме свойств ППК на
ионообменные процессы в почве влияют химическая природа
ионов, климатические факторы, вещества, способные изменять
34
электрохимические потенциалы. Рассмотрим наиболее важные
компоненты ППК, влияющие на подвижность соединений
микроэлементов в почве.
МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ И ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ
СОСТАВ ПОЧВЫ
В почве известные микроэлементы большей частью
приурочены к тонкодисперсным фракциям почв и материнских пород. В
отличие от грубых тонкие фракции обогащены так называемыми
глинистыми минералами, аккумулирующими значительные
количества микроэлементов. Первичные минералы практически не
участвуют в сорбционных процессах, но служат потенциальными
источниками микроэлементов. Не случайно поэтому глинистые
минералы рассматривают как минералогическую основу ППК.
Термин «глинистые минералы» строго не определен. Обычно в
почвах к глинистым минералам относят следующие группы:
каолиниты, монтмориллониты, иллиты, хлориты, вермикулиты. Все
они являются слоистыми алюмосиликатами. Глинистые
минералы могут содержать незначительное количество микроэлементов
в качестве структурных компонентов, однако основная их роль в
регуляции подвижности элементов питания растений связана с
высокой сорбционной емкостью, обусловленной
функциональными группами и большой площадью поверхности. Способность почв
поглощать катионы или анионы характеризуют с помощью
понятий емкость катионного обмена (ЕКО) и емкость анионного
обмена (ЕАО). С уменьшением размера частиц почвы ЕКО
существенно возрастает. В почвах многих типов до 90% обменных
катионов связано с фракцией ила. Высокая обменная емкость илистой
фракции обусловлена не только большой адсорбционной
поверхностью. Тонкие фракции почв, особенно верхних горизонтов,
содержат много гуминовых веществ, способствующих
аккумуляции микроэлементов.
Обменная емкость глинистых минералов, как правило,
изменяется в следующей последовательности: монтмориллонит =
вермикулит > иллит, хлорит > каолинит > галлуазит. Сорбция
микроэлементов минералами группы монтмориллонита в значительной
степени зависит от величины заряда и размера катиона. Сорбированные
монтмориллонитами микроэлементы достаточно легко переходят
35
в жидкую фазу и служат важным резервом минеральных
элементов для растений. Как сорбция, так и десорбция микроэлементов
глинистыми минералами зависит от рН среды.
Выявлена количественная зависимость между дисперсностью
субстрата и поглощением растениями элементов питания. С
увеличением дисперсности субстрата концентрация в растениях
многих макро- и микроэлементов существенно уменьшается. При этом
воздействие частиц пылеватого песка в среднем вдвое слабее, чем
глинистых. Наиболее сильно негативное влияние глинистых
фракций почвы сказывается на поглощении растениями меди, цинка,
марганца, кобальт и молибдена.
ОКСИДЫ И ГИДРОКСИДЫ
Из многочисленных соединений этого типа наибольшее
влияние на подвижность микроэлементов в почве оказывают оксиды
железа и марганца, а также алюминия. Благодаря высокому
содержанию железа и марганца в литосфере их оксиды и гидроксиды
широко распространены в почвах в виде кристаллических и
аморфных образований. Они формируют пленки на отдельных частицах,
заполнения трещин и жилок, конкреции и включения. С помощью
электронного микрозонда установлено, что многие микроэлементы
концентрируются в пленках оксидов почвенных частиц. В почвах
около 50 % тяжелых металлов связано с гидроксидами железа.
При типичных для почвенных условий значениях реакции среды
оксиды и гидроксиды заряжены положительно. Поэтому
поглощение оксидами металлов не может осуществляться в результате
электростатического взаимодействия, оно происходит как реакция
специфической адсорбции. Механизм сорбции включает
изоморфное замещение ионов железа и марганца катионами
металлов-микроэлементов и окислительные эффекты на поверхности оксидов.
При этом наибольшее сродство гидроксидов железа и марганца
проявляется к сходным по размерам иона металлам (Со2+, Со3+,
Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb4+, Ag+). Повышение содержания
полуторных оксидов в питательном субстрате сопровождается
негативными физиологическими эффектами, в частности снижением
концентрации многих макро- и микроэлементов в надземных
органах.
36
КАРБОНАТЫ
В кислых почвах карбонатов практически нет, в нейтральных
и щелочных их содержание составляет 15-20 % и более.
Почвенные карбонаты встречаются в виде метастабильных и
полиморфных форм, чувствительных к условиям дренажа. Кальцит
является наиболее распространенной и относительно подвижной формой
карбоната кальция. Это соединение весьма дисперсно и сильно
влияет на рН почв, а следовательно, и на состояние
микроэлементов. Кроме того, карбонаты снижают подвижность
микроэлементов вследствие сорбции собственными высокодисперсными
фракциями, а также оксидами железа и марганца, оседающими на
поверхности карбонатов. Слабая подвижность микроэлементов в
карбонатных почвах негативно сказывается на минеральном
питании растений. Зависимость между реакцией среды и
концентрацией микроэлементов в растениях нелинейная. Наиболее резкое
снижение концентрации железа, марганца и цинка в надземной
биомассе отмечено при увеличении рН среды до 4,8—5,2.
Уменьшение содержания мобильных микроэлементов в почве до
критического уровня сопровождается появлением у растений
признаков дефицита микроэлементов. Наиболее типичное и опасное
заболевание культурных растений, выращиваемых на автоморфных
нейтральных и щелочных почвах, — карбонатный хлороз.
Низкая активность катионов кальция в растворах кислых почв
отрицательно сказывается на интегральной целостности мембран,
интенсивности многих метаболических процессов, что приводит
к появлению симптомов кальциевой недостаточности у растений,
а также к избыточному накоплению в них микроэлементов.
Поэтому известковые материалы входят как обязательный элемент в
систему удобрения кислых почв. Негативная сторона этого
агрономического приема состоит в уменьшении подвижности
микроэлементов в почве и их доступности растениям.
ФОСФАТЫ
В почвах в основном представлены метастабильными и мета-
морфными разновидностями. Некоторые формы фосфатов
металлов характеризуются слабой растворимостью в воде. Поэтому
37
повышенное содержание фосфатов в почве и интенсивное
применение фосфорных удобрений (особенно при нейтральной и
щелочной реакции среды) способствуют закреплению металлов
почвенно-поглощающим комплексом.
СУЛЬФИДЫ СУЛЬФА ТЫ, ХЛОРИДЫ
В почвах, формирующихся в условиях влажного климата, не
оказывают большого влияния на подвижность микроэлементов, но
играют в этом процессе важную роль в почвах аридных
климатических зон. Микроэлементы могут осаждаться в виде сульфидов,
которые в аэрируемых условиях превращаются в более
растворимые сульфаты. Хлориды и сульфаты металлов хорошо
растворимы и поэтому легко доступны растениям.
ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО
Состоит из разнообразных органических соединений и
продуктов их взаимодействия с минеральными компонентами почв.
Условно органические соединения почвы подразделяют на две
большие группы — органические остатки и гуминовые вещества.
Органические остатки служат источником формирования
гумуса и представляют собой отмершие части живых организмов,
которые еще не утратили своего анатомического строения. В
форме органических остатков временно резервируются многие
микроэлементы. Скорость высвобождения микроэлементов из
растительных остатков зависит от интенсивности их
разложения и гумификации. В свою очередь, темпы минерализации
фитомассы тесно связаны с химическим составом растительных
остатков. Например, листья клевера (соответственно и
высвобождение из них микроэлементов) минерализуются
значительно быстрее, чем хвоя голосеменных растений. Высвобождение
из фитомассы микроэлементов также определяется их физико-
химической природой. При сравнимых условиях бор и медь
переходят в подвижное состояние с большей скоростью, чем
марганец. Возможно, минерализация органических соединений
марганца сопровождается образованием под воздействием мик-
38
роорганизмов окисленных соединений элемента,
отличающихся слабой подвижностью.
В почве подвижность микроэлементов зависит от их
взаимодействия с гуминовыми веществами. Реакционная способность
гуминовых веществ определяется разнообразными
функциональными группами в их составе. К наиболее важным из них
относятся карбоксильные, спиртовые, фенольные, метоксильные, амид-
ные группы. Кроме того, отмечены эфирные и кетонные группы.
Количество реакционных центров увеличивается по мере
повышения степени гумификации органического вещества.
Взаимодействие гуминовых веществ почвы с ионами металлов
идентифицируют как ионообменные реакции, адсорбцию на поверхности, ком-
плексообразование, реакции коагуляции. В результате таких
взаимодействий образуются простые соли (гуматы, фульваты) и
комплексные соединения. Преобладающая часть микроэлементов,
связанных органическим веществом почвы, аккумулируется в фуль-
вокислотах. По сравнению с фракцией гуминовых кислот фуль-
вокислоты более дисперсны, гидрофильны, в большей степени
обогащены функциональными группами. Взаимодействие
металлов с гуминовыми веществами иногда сопровождается
появлением растворимых или мало растворимых в воде соединений.
Растворимость органоминеральных комплексов зависит от химической
природы и соотношения их компонентов, а также от реакции
среды. Гуминовые кислоты характеризуются большей, чем фульво-
кислоты, склонностью к образованию не растворимых в воде
соединений с металлами. Однако этот вывод в большей степени
относится к катионам двухвалентных металлов, а также к катионам
железа и алюминия. Гуматы щелочных металлов считаются
хорошо растворимыми. При взаимодействии растворов гумусовых
кислот со щелочами образуются истинные растворы гуматов
после начальной стадии пептизации. Фульвокислоты также
образуют нерастворимые соединения с микроэлементами, но только при
очень низких значениях отношения органического вещества к
микроэлементу, которые крайне редко встречаются в почвах.
При образовании нерастворимых гуматов металлов основная
роль принадлежит адсорбции и коагуляции. Состав
образующихся органоминеральных соединений зависит не только от
количества и качественного состава функциональных групп, но и от рН
среды и вида катиона. Соединения гумусовых кислот с катионами
39
агрегативно неустойчивы, они максимально растворимы в двух
диапазонах рН: кислом и щелочном (табл. 2. 4)
В почвах с нейтральной реакцией среды гуминовые вещества
могут закреплять значительные количества меди, цинка и даже
марганца, особенно если в составе гумуса гуминовые кислоты
преобладают над фульвокислотами (чернозем). Образование
нерастворимых органических соединений почв с бором и молибденом
происходит только в сильнокислой среде (рН 1—2). Связи бора с
органическим веществом непрочны. Молибден в сильнокислых
растворах (рН < 1) может находиться в форме катиона, что,
возможно, и способствует образованию нерастворимых комплексов
этого элемента с органическим веществом.
Скорость взаимодействия металлов с гумусовыми кислотами
определяется ионной силой растворов, стандартным
окислительно-восстановительным потенциалом, реакцией среды,
устойчивостью образуемых комплексов. Связывание ионов металлов гуми-
новыми кислотами зависит также от конкуренции элементов за
реакционные центры. Медь и свинец более интенсивно
взаимодействуют с гуминовыми кислотами, чем цинк и кадмий.
Различия обусловлены тем, что металлы первой пары формируют с гу-
Таблица 2. 4
Логарифмы констант устойчивости (lg К) соединений гуминовых
кислот с катионами металлов [по: Takenaga, Azo, 1976]
Кятипн
1V<X l HUH
Fe3^
Cu2+
Ni2+
Fe2+
Cd2+
Zn2+
Mn2+
Ca2^
Mg2+
3,0
11,36
6,79
5,39
5,36
5,26
5,05
Нет
»
»
lg К при рН
5,0
8,46
12,60
7,63
6,41
5,45
7,15
Нет
»
»
7,0
6,60
12,33
9,60
4,78
8,90
10,34
5,60
6,45
5,46
9,0
Нетдг
»
»
»
»
»
8,72
7,81
6,76
11,0
1ННЫХ
»
»
»
»
»
9,20
8,03
8,42
40
миновыми кислотами преимущественно координационные связи,
а второй — ионные.
В природных водах ландшафтов, расположенных в гумидных
условиях, значительная часть металлов мигрирует в форме
органических комплексов. В аридных условиях в связи с
уменьшением содержания растворимых органических веществ возрастает
значение неорганических комплексных соединений. Определенное
количество микроэлементов может временно резервироваться в
напочвенном органическом веществе. По мере его минерализации
микроэлементы и другие соединения вовлекаются в
миграционные потоки.
Влияние органического вещества на питание растений
микроэлементами зависит от растворимости и устойчивости
образующихся в почве органоминеральных соединений. Известны
многочисленные факты негативного влияния органического вещества на этот
процесс. При повышенном содержании в питательном субстрате
торфа и препаратов гуминовых веществ у растений наблюдаются
симптомы дефицита микроэлементов. Обнаружено сильное
негативное влияние гуминовых веществ на поглощение растениями
бора, хотя этот элемент и не образует прочных связей с
органическим веществом почвы. В меньшей степени отрицательный эффект
проявляется по отношению к молибдену. Вместе с тем фульватные
комплексы железа и марганца доступны растениям (см. гл. 5).
Специфическое влияние на мобильный фонд микроэлементов
в почве оказывают органические удобрения. В течение первого года
после их внесения может наблюдаться уменьшение концентрации
в почве подвижных соединений микроэлементов, что
обусловлено поглощением их органическим веществом и переводом в
трудно растворимое состояние. В дальнейшем по мере минерализации
органических веществ подвижность микроэлементов, как
правило, возрастает. Длительное применение органических и
минеральных удобрений, а также извести способствует увеличению
плотности отрицательного заряда ППК и усилению
селективного поглощения почвой двухвалентных катионов. По влиянию
на величину отрицательного заряда ППК агротехнические
приемы распределяют в следующем ряду: навоз + известь > NPK +
+ известь > навоз > известь > NPK > неудобренная почва.
Наиболее сильно плотность отрицательного заряда увеличивается в
интервале рН 3—8.
41
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ И АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ПОЧВЕННО-ПОГЛОЩАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА
Химическая неоднородность компонентов ППК влияет на
состав и свойства функциональных групп на поверхности частиц
почвы (табл. 2. 5), а следовательно, и на степень их участия в
ионообменных и адсорбционных процессах. В основе одного из
механизмов образования зарядов на поверхности почвенных частиц
лежит диссоциация функциональных групп ППК, определяющая
Таблица 2. 5
Свойства функциональных групп почвенно-поглощающего комплекса
[по: Пинский, 1997]
Функциональные
группы
so3h
SiOOH*
R2POOH
(по 1-й ступени)
-R-PO(OH)2
(по 1-й ступени)
-СООН*
-R-PO(OH)2
(по 2-й ступени)
-СОН*
(фенолы)*
-АЮН*
-FeOH*
R3NOH
RNH + Н20
R2N + Н20
NH2 + Н20
Тип
диссоциации
н+
н+
н+
н+
н+
н+
н+
ОН"
он"
ОН"
ОН"
ОН"
ОН"
рК
<1
4-5
4-5
4-5
5-9
5-9
5-9
РН
1-14
4-14
4-14
4-14
5-14
5-14
5-14
Нет
данных
Тоже
<1
3-5
3-5
6-9
10—14
8-9
8-9
8-9
иэт
Нет
данных
1-3,7
Нет
данных
Тоже
»
»
»
5,8-9,4
4,2-8,5
Нет
данных
Тоже
»
»
Типы
ионообменников
Сильнокислотные
Среднекислотные
»
»
Слабокислотные
»
»
»
»
Сильноосновные
1 Среднеосновные
»
Слабоосновные
Примечание. Звездочкой отмечены функциональные группы, имеющие
наибольшую концентрацию на поверхности почвенных частиц; ИЭТ — изо-
электрическая точка.
42
ионообменные процессы в почве. Наибольшую концентрацию на
поверхности почвенных частиц имеют следующие
функциональные группы: —SiOOH, -COOH,= COH,=A10H, = FeOH. Две
первые группы более активны в кислой среде, а три последние в
нейтральной и щелочной. Вероятно, участие других
функциональных групп в катионообменных процессах значительно меньше, что
обусловлено более низким содержанием этих групп в почве, а
также их химическими свойствами. Многие из этих групп в
нормальных условиях заряжены положительно и проявляют свойства
анионитов. В то же время они могут образовывать
координационные соединения с некоторыми металлами, особенно с
переходными металлами-микроэлементами, и обеспечивать их
избирательное поглощение из растворов ППК.
Сродство адсорбентов, обладающих свойствами сильных
кислот, к катионам прямо пропорционально главным образом
величине их заряда. В этом случае взаимодействие осуществляется за
счет сил электростатической природы. В ряду одинаково
заряженных ионов избирательность возрастает с увеличением радиуса
негидратированных ионов, что обусловлено увеличением
поляризуемости их электронных оболочек и уменьшением степени
гидратации. С уменьшением радиуса гидратированных ионов
уменьшаются энергетические затраты на трансформацию гидратных
оболочек при адсорбции. Для таких адсорбентов можно привести
следующие лиотропные ряды [Мархол, 1985, цит. по Пинский, 1997]:
Ag+ > Cs+ > Rb+ >K+ > NH/ > H+ > Li+;
Ba2+ > Pb2+ > Sr2+ > Ca2+ > Ni2+ =
= Cu2+ > Cd2+ > Co 2+ > Zn2+ =
= Mg2+ > Mn2+ > Be2+ > U022+ > Hg2+.
Среднекислые адсорбенты обладают высоким сродством к
протону, поэтому их сорбционные свойства зависят от рН среды.
Взаимодействие функциональных групп такого рода адсорбентов
с катионами происходит как за счет электростатических сил, так и
за счет образования координационных связей. По этой причине
селективность сорбции катионов соединениями со среднекислы-
ми функциональными группами зависит не только от заряда иона,
но и от строения его внешних электронных оболочек. В
обобщенном виде лиотропные ряды ионов для среднекислых адсорбентов
43
в кислой среде могут быть представлены следующим образом
[Мархол, 1985, цит. по: Пинский, 1997]:
Н" > Ag+ > Cs+ > Rb+ Ж* > Na+ > Li+;
Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ > Cd2+ > Mn2+ > Co2+ > Ni2+.
Адсорбенты со слабокислыми свойствами отличаются
повышенным сродством к протонам, ионам тяжелых металлов и
щелочноземельных элементов [Мархол, 1985, цит. по: Пинский, 1997]:
Mg2+ < Са2+ < Ni2+ < Со2+ < Си2* (рН s 7);
Na+ < Mg2+ < Са2+ < Н+.
В связи с тем что компоненты ППК характеризуются
различным набором кислотно-основных свойств, лиотропные ряды ионов
зачастую сильно отличаются от приведенных выше и зависят от
свойств конкретной почвы.
Сорбция ионов почвенно-поглощающим комплексом
определяется не только свойствами его компонентов, но и свойствами
катионов. Например, при низких концентрациях микроэлементов
наибольшие количества Zn2+ неспецифически связываются
оксидами железа и марганца. При тех же условиях наибольшее
количество катионов Си2+ специфически связывается органическим
веществом почвы.
Ионообменные реакции и адсорбционные процессы в почве
(в том числе с участием функциональных групп) тесно связаны с
реакцией среды и окислительно-восстановительным потенциалом.
От значений того и другого показателя зависит подвижность в
почве большинства микроэлементов (рис. 2. 5). С увеличением рН
и Eh происходит селективное поглощение почвой катионов с
меньшей плотностью заряда. Наиболее сильная зависимость
подвижности соединений микроэлементов от реакции среды и
окислительно-восстановительного потенциала отмечена для железа и марганца.
Специфика сорбционных процессов для отдельных
микроэлементов, обусловленная влиянием окислительно-восстановительных
условий среды, более подробно рассмотрена выше (см. 2. 1).
Влияние рН на адсорбцию ионов опосредовано регуляцией
активности функциональных групп ППК и механизмов ионного обмена
в почвах.
44
рН 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0
рН 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0
Рис. 2. 5. Подвижность элементов питания растений в органогенных
почвах в зависимости от рН.
Самая широкая часть заштрихованных областей соответствует
максимальной доступности [по: Lucas, Davis, 196lj.
45
Колебания ЕКО отдельных компонентов ППК довольно
значительны (табл. 2. 6), что объясняется природной
вариабельностью свойств компонента и спецификой методических
подходов при определении значений ЕКО. Вклад каждого компонента
в формирование общей ЕКО почвы зависит от содержания
данного компонента в почве и от его ЕКО. Вместе с тем общую
емкость катионного обмена почвы нельзя получить, просуммировав
вклады отдельных компонентов ППК. Этот показатель сильно
изменяется в результате взаимодействия компонентов между собой.
В обобщенном виде механизмы катионного обмена в почвах
могут быть представлены в виде схемы (рис. 2. 6). Взаимодействие
с ППК анионов, в частности анионов микроэлементов, изучено
значительно хуже, чем катионов. В значительной степени это
обусловлено тем, что анионообменная емкость почв существенно ниже,
чем катионообменная емкость. Считается, что селективность
положительно заряженных центров ППК к анионам выше, чем от-
Таблица 2. 6
Значения емкости катионного обмена (ЕКО)
различных компонентов почв
[модифицировано по: Пинский, 1997]
Компонент
М онтморилл онит
Вермикулит
Каолинит
Хлорит
Мусковит
Иллит
Галлуазит
Аллофаны
Цеолиты природные
Смектиты
Гйдроксиды Fe и А1 (рН 8)
Коагели (mSi02 a?R203)
Гуминовые кислоты
Фульвокислоты
Гумус в целом
ЕКО, мг экц/ЮОг
80-150
100-150
3-15
10-40
10-50
10-40
5-50
50-100
100-300
55-120
0,5-1,0
16-95
500-900
до 700
41-300
46
Са + 2М(Н20)П т* Са2+ + (Н20)„.2
Обмен с одновременным гидролизом
м2+ + н2о *± мон+ + н+
+ 2МОН *± Са2+ +
Са
Са
+ 2Н+^Са2+ +
НОМ
ном
Гидролиз катионов
с последующим обменом гидролизованных форм
НОМ
н
н
Са
н
н
+м2+
+м2+
Са2+ +
н+ +
Прямой обмен
негидролизованных форм катионов
м
м
н
М2+ + L" ^ ML+
+ ML/ *± Н+ +
Н + Н+ + ML+^ Н+ +
L-M
Н
M-L-H
Обмен с участием ассоциированных форм катионов
Рис. 2. 6. Механизмы катионного обмена в почвах
[модифицировано по: Пинский, 1997]
рицательно заряженных к катионам, вследствие специфики
природы положительно заряженных центров и их меньшей гидрати-
рованности. С ростом рН отмечена устойчивая тенденция к
уменьшению сорбции почвой анионов молибденовой кислоты, а также
арсената, триполифосфата, пиро- и ортофосфата.
47
МИКРООРГАНИЗМЫ ПОЧВЫ
Практически во всех элементарных почвенно-биологических
процессах, прямо или косвенно влияющих на подвижность
микроэлементов и их доступность растениям, участвуют
микроорганизмы. В качестве важнейших процессов Т. В. Аристовская (1980)
выделяет разложение растительного опада, образование гумусовых
веществ, разложение гумуса, деструкцию минералов почвообразу-
ющей породы и новообразование минералов. Главная роль в
пополнении запасов микроэлементов в почве и изменении ее
физико-химических свойств принадлежит биохимической деструкции
минералов. Выделяют два основных вида воздействия микроорганизмов на
породу: ферментативное разрушение и деструкцию слизями
микроорганизмов. Прямому воздействию микробных ферментов
подвержены минералы, содержащие в своем составе элементы с
переменной валентностью. Освобождающаяся при этом энергия
используется микроорганизмами для обеспечения метаболических процессов.
Примером ферментативного разложения минералов служит
деструкция пирита, халькопирита и других сульфидов
представителями рода Thiobacillus, способных окислять серу и
двухвалентное железо. Эти окислительно-восстановительные реакции
происходят при непосредственном контакте микробных клеток с
поверхностью минералов. Ферментативным путем могут разрушаться
минералы, имеющие в своем составе соединения не только Fe (II),
но и Fe (III). Многие гетеротрофные микроорганизмы в
анаэробных условиях используют в процессе дыхания в качестве
акцептора электронов Fe (III) вместо кислорода. Восстановление
окисленных форм железа под влиянием редуктаз микроорганизмов
способствует повышению мобильности этого элемента в почве.
У микроорганизмов известны по крайней мере две редуктазные
системы, участвующие в восстановлении Fe (III): ферриредуктазная
и нитратредуктазная. В первой системе в качестве акцепторов
электронов используется только Fe3+, ею обладает большая часть об-
лигатных анаэробов. В нитратредуктазной системе акцепторами
электронов могут быть N03~ и Fe3+, эта система характерна
главным образом для факультативно анаэробных бактерий. В
присутствии нитратов восстановление железа подавляется, так как
микроорганизмы переключаются на нитратное дыхание — более
энергетически выгодный процесс, чем восстановление Fe (III).
48
Микроорганизмы могут принимать участие в восстановлении
не только оксида железа, но и диоксида марганца.
Восстановление бактериями окисленных форм марганца ускоряется при
добавлении в среду глюкозы и лимонной кислоты. Вероятно, этот
процесс может происходить в разных условиях: как в анаэробных, так
и в аэробных, если в среде находятся адекватные доноры
электронов. В восстановлении окисленных форм марганца
принимают участие разнообразные гетеротрофные микроорганизмы.
Наиболее ярко выраженная Mn-редуцирующая способность характерна
для Bacillus circulans и Clostridium polymyxa. Практически все
бактерии, восстанавливающие железо, способны восстанавливать
марганец, однако обратная закономерность прослеживается далеко не
всегда. Восстановление окисленных форм марганца не является
достаточным условием повышения подвижности этого элемента в
почве. При определенных значениях рН возможно образование
нерастворимых карбонатов и гидроксидов Мп (II).
Иммобилизацию марганца в почвах определяет окисление его
двухвалентной формы. Эта реакция осуществляется под
воздействием кислорода, образующегося в результате разложения перок-
сида водорода каталазой или пероксидазой, и сопровождается
накоплением окисленных форм марганца на поверхности клеток
микроорганизмов. Окисленные формы марганца накапливаются
вследствие не только ферментативного, но и небиологического
окисления. Образуемые с помощью микроорганизмов оксвды
марганца могут катализировать химическое окисление элемента.
В окислении восстановленных форм марганца принимают
участие бактерии, мицеллиальные грибы и дрожжи. Большую роль
в окислении марганца в почвах и иловых отложениях играют
некоторые специфические виды микроорганизмов, такие как Metal-
logenium и Pedomicrobium. Постепенная кристаллизация
накопленных на поверхности микробных клеток нерастворимых форм
металлов — широко распространенный механизм биогенного
образования минералов в почвах. Таким способом образуется кальцит
при минерализации обогащенных кальцием органических остатков.
Так же формируются минералы оксидов железа и марганца.
Необходимо отметить, что ферментативная деструкция
минералов может происходить при непосредственном или
опосредованном (через микробные выделения) воздействии
микроорганизмов на минералы. В целом, однако, ферментативная деструкция
49
минералов специфична, поскольку оксидазная или редуктазная
активность микроорганизмов проявляется, если в минералах
находятся элементы с переменной валентностью.
Менее специфична деструкция почвообразующих пород,
опосредованная продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, в
частности слизями. Способностью к слизеобразованию обладают
многие почвенные бактерии и водоросли. По химическому составу
слизи представляют собой в основном полисахариды, содержащие
уроновые кислоты. Функциональные группы этих полимеров
(фенольные, гидроксильные) участвуют в образовании
комплексных соединений с микроэлементами и таким образом
способствуют их переводу в более доступную для растений форму.
Важная роль в мобилизации микроэлементов из минералов
принадлежит микроорганизмам, продуцирующим сильные
химические реагенты — минеральные и органические кислоты,
щелочи, различные хелаторы и редуктанты. На ранних стадиях
почвообразования мобилизацию питательных веществ из минералов
определяют микроорганизмы, выделяющие сильные минеральные
кислоты. Так, образуемая культурой Thiobacillus thiooxidans
серная кислота способствует интенсивному разрушению
алюмосиликатов. В биогеоценозах с интенсивным круговоротом углерода
решающее значение в процессах выветривания имеют
органические, а не минеральные кислоты микроорганизмов. В микробных
выделениях идентифицированы разнообразные органические
кислоты: муравьиная, уксусная, масляная, молочная, щавелевая,
лимонная, янтарная, винная и др. Органические кислоты выделяют
не только бактерии, но и микроскопические грибы, причем
наиболее активными продуцентами выступают представители родов
Penicillium и Aspergillus, Интенсивность разрушения минералов
органическими кислотами не всегда соответствует степени их
диссоциации, так как действие органических кислот связано не только с
их кислотными свойствами, но и с комплексообразующими.
Последние способствуют поступлению в почвенный раствор разнообразных
по составу хелатов микроэлементов. Разрушающее действие на
минералы относительно высокомолекулярных органических кислот, как
правило, меньше, чем низкомолекулярных. Сильная деструкция
алюмосиликатов происходит под влиянием лимонной кислоты.
Источниками биогенных щелочей в почвах могут быть соли
слабых органических кислот и сильных оснований, образующие-
50
ся при разложении растительных остатков: карбонаты и
бикарбонаты. Образование щелочей происходит также в процессе
аммонификации веществ белковой природы. С накоплением в среде
щелочных продуктов азотного обмена некоторых бактерий
связывают разложение труднорастворимых фосфатов. Под влиянием
продуктов аммонификации уробактерий происходит деструкция
даже прочных минералов: плагиоклаза и кварца.
Важная роль в мобилизации микроэлементов (особенно
железа) принадлежит соединениям, названным сидерофоры. Выделение
сидерофоров является характерной реакцией многих
микроорганизмов, особенно грибов, в ответ на недостаток железа в среде.
Сидерофоры представляют собой производные никотинаминов,
способные формировать стабильные водорастворимые комплексы
с металлами, в частности с Fe (III). У различных видов и даже
генотипов одного и того же вида микроорганизмов состав
сидерофоров может сильно отличаться. Бактерии Rhisobium meliloti DM4
продуцируют сидерофоры карбоксилатного типа, a Rhisobium
meliloti 1021 — дигидроксоматного типа. Bradirhizobiumjaponicum 61А152
выделяют в ответ на недостаток железа в среде лимонную
кислоту, выполняющую функцию сидерофора. Представители рода
Pseudomonas характеризуются продуцированием желто-зеленого
пигмента — пиовердина, или псевдобактина, также выполняющего
функции сидерофора. Продуцирование сидерофоров обнаружено
и у многих видов микоризных грибов: эрикоидных, эктомикориз-
ных, эктоэндомикоризных. Аскомицет Hymenoscyphus ericae и ги-
фомицет Oidiodendron griseum в качестве основного сидерофора
выделяют гидроксомат феррикросин, а эндофит Rhodothamnus
chamaecistus — фузиген. Способность микоризных грибов
участвовать в мобилизации железа отражается на содержании этого
элемента в растении-хозяине. Известно, например, что микоризные
растения, в целом, характеризуются более высоким содержанием
железа, чем немикоризные. В то же время следует иметь в виду,
что между растением-хозяином и грибом-микоризообразователем
могут возникать конкурентные отношения за элементы питания.
Поглощение микроорганизмом сидерофорного Fe-комплекса
осуществляется с помощью специфической системы, состоящей из
нескольких компонентов белковой природы. Кроме собственных
микроорганизмы могут утилизировать и чужеродные сидерофор-
ные комплексы.
51
Концентрация сидерофоров в почвенном растворе варьирует в
зависимости от типа почвы в интервале 10—300 нмоль/л,
наибольшее выделение сидерофоров отмечено в ризосфере корней.
Выявлена способность сидерофоров угнетать развитие фитопатогенных
микроорганизмов в ризосфере растений. Механизм такого
угнетения объясняют появлением в почве Fe-дефицита,
обусловленного связыванием сидерофорами Fe3+ в прочный комплекс. Этот
комплекс могут усваивать продуценты сидерофоров, а
микроорганизмы-патогены не могут. Высшие растения, как правило, не
страдают от недостатка железа, вызванного продуцированием
сидерофоров, и могут расти при гораздо более низких (в ~ 1000 раз)
концентрациях железа, чем микроорганизмы. Кроме того, у ряда
растений выявлены механизмы поглощения и включения в
метаболизм Fe-сйдерофорных комплексов (подробнее см. гл. 6).
Однако переоценивать роль Fe-сидерофоров в минеральном питании
высших растений не следует, так как частицы почвы достаточно
сильно адсорбируют сидерофорные комплексы.
Таким образом, в действии микроорганизмов на подвижность
микроэлементов в почве можно выделить следующие составляющие:
1) прямое взаимодействие с ионами металлов (изменение
валентности, замещение, метилирование, трансалкилирование);
2) непрямое участие в растворении соединений
микроэлементов при их взаимодействии с продуктами микробного
метаболизма (изменение рН и Eh почвы, синтез неорганических и
органических кислот, выделение хелатообразователей, накопление сли-
зей, катаболизм комплексных соединений).
Степень воздействия микроорганизмов на подвижность
микроэлементов различна, что определяется почвенными условиями
и составом биоты. Доступность микроэлементов растениям
снижается при усилении аккумулятивных и окислительных процессов
в результате деятельности микроорганизмов. Напротив,
подвижность микроэлементов существенно повышается при
функционировании микроорганизмов, редуцирующих окисленные
соединения металлов, а также выделяющих хелатирующие агенты.
3. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В РАСТЕНИЯХ
В этой главе рассмотрены основные формы
микроэлементов в ратениях и механизмы их пог/ющения
корнями. Описаны виды взаимодействий между
химическими элементами на стадии их поглощения растением.
Кроме того, содержится информация о
физиологических и биохимических функциях микроэлементов в
растительных тканях. Проанализированы закономерности
распределения микроэлементов в различных частях
растения. Указаны симптомы дефицита микроэлементов
у растений и условия его возникновения.
3. 1. ПОГЛОЩЕНИЕ РАСТЕНИЯМИ.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ
3.1. 1. Поглощение
В общих чертах механизмы поглощения растением
микроэлементов существенно не отличаются от установленных для
макроэлементов. В настоящее время получила распространение
концепция мультифазного поглощения микроэлементов. Количество фаз
поглощения и величины кинетических констант (Км и Утях)
значительно варьируют даже для одного и того же иона в
зависимости от особенностей генотипа, возраста растений, диапазона
концентраций, продолжительности эксперимента, взаимодействия с
другими ионами (рис. 3. 1).
Выделяют следующие основные фазы (табл. 3. 1) в кинетике
поглощения микроэлементов растениями: 1) фаза обменной
адсорбции (продолжительность до 20 мин); 2) фаза насыщения
53
I2r
if 8
11 8
S 8.
§3 6
О .
i Э 4|
с ? !
u
S
о
5-ИГ* КГ5 5-1Г5 ЮГ^г-КГ* 1(Г3
Концентрация элемента, моль/л
Рис. J. /. Поглощение цинка (У, J) и марганца (2, 4)
интактными корнями (1, 2) и изолированными клеточными
оболочками (3, 4) кукурузы [по: Рудакова и др., 1987]
свободного пространства (1—3 ч); 3) и 4) — фазы активного
поглощения (до 6 ч и более).
В поглощении микроэлементов отмечают пассивный и
активный компоненты, соотношение между ними может изменяться в
зависимости от свойств и концентрации элемента, биологических
особенностей и возраста культур. По-видимому, активный
транспорт микроэлементов осуществляется с участием как ионных
насосов, так и переносчиков, в частности белков с молекулярной
массой около 60—70 кД. Активное поглощение многих ионов
микроэлементов преобладает в диапазоне более низких концентраций
(система I), а пассивное — более высоких (система II).
В результате последних исследований в области молекулярной
биологии удалось выявить различные переносчики, участвующие
в транспорте микроэлементов в клетку через плазмалемму. У
растений стратегии I (гл. 6), поглощающих железо преимущественно
в форме Fe (II), выявлен ген IRT 1, который кодирует
образование белка-переносчика со значительно большей специфичностью
к Fe (II), чем к Fe (III) и другим потенциальным субстратам. По этой
причине повышенные концентрации в среде других
физиологически активных ионов металлов (Cu+, Cu2+, Mn2+, Zn2+), кроме
54
Таблица 3. 1
Кинетические константы и переходы фаз поглощения
микроэлементов отделенными корнями гороха и кукурузы
[по: Рудакова и дрм 1987]
Культура
Горох
Кукуруза
Горох
Кукуруза
Фаза
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
V
w max»
мкмоль/г • ч
0,116
Нет да*
2,469
3,571
0,025
0,082
1,471
1,818
0,069
0,100
2,857
3,704
0,003
0,028
0,430
0,530
&м>
мкмоль
Zn2+
1,2
1НЫХ
47,0
137,0
0,20
2,40
45,0
110,0
Мп2+
0,34
5,0
12,5
454,0
0,29
2,50
10,0
250,0
Интервалы перехода,
мкмоль
0,1-1,0 (скачок)
Нет данных
10-100 (скачок)
200-1000
0,1 — 1,0 (скачок)
5 (скачок)
10-200 (скачок)
5000-1000
0,1-1,0 (скачок)
1-5
10-200 (скачок)
500-1000
0,1 — 1,0 (скачок)
1-10
10-100 (скачок)
200-1000
кадмия, существенно не ингибируют поглощение растениями
Fe (II). Субстратом для этого транспортера может быть не только
Fe (II), но и кадмий.
Для растений стратегии II (гл. 6) выделены гены ids 2 и ids 3,
которые ответственны за кодирование синтеза мугеневой
кислоты, участвующей в транспорте железа через плазмалемму злаков
в форме комплекса Ре(Ш)-мутеневая кислота. До сих пор не ясно,
в какой форме через плазмалемму в клетку поступает медь: в форме
Си (II) или Си (I). Иными словами, необходимо ли для поглощения
55
меди предварительное восстановление катиона Си +(основная
доступная для растений форма меди в природных средах) до Си+.
Например, арабидопсис имеет Cu-переносчик СОРТ 1, сходный с
Cu-переносчиком ctr lp. Последний использует в качестве субстрата
одновалентный катион меди. В восстановлении Си (II) до Си (I),
возможно, участвует Fe (Ш)-редуктаза, локализованная на
поверхности корней растений стратегии 1. Во всяком случае мутанты
frd 1, которые не могут индуцировать Fe (Ш)-редуктазную
активность в ответ на Fe-дефицит, не способны восстанавливать
Си (Н)-хелаты.
В качестве возможных переносчиков марганца через
плазматические мембраны рассматривают белки, кодируемые генами Nramp
(Natural resistance associated macrophage protein). Семейство таких
белков, высоко консервативных в эволюции, обнаружено не только
у растений, но и у дрожжей, бактерий, птиц, млекопитающих. Все
члены этого семейства переносчиков участвуют в транспорте
металлов, главным образом в форме двухвалентных катионов.
Несмотря на важную роль цинка в жизни растений,
механизмы поглощения этого металла корнями изучены мало. Не
известно, поступает цинк преимущественно по ионным каналам или с
участием двухвалентных переносчиков. Кроме того, не известно,
активный этот процесс или пассивный. Изолированы гены ZIP 1,
ZIP 2 и ZIP 3, которые кодируют синтез транспортеров цинка.
Экспрессия генов происходит в широком временном диапазоне, а
также температурном и концентрационном. У белков не
обнаружено поглотительной активности по отношению к железу.
3.1. 2. Взаимодействие
Сбалансированность минерального питания необходима для
нормальных роста и развития растений. В сложных по
химическому составу почвенных растворах содержится множество
элементов. Взаимодействие между ними оказывает существенное
влияние на доступность элементов для растения, в частности на
проявление их дефицита. Взаимодействие химических элементов, в
том числе и микроэлементов, может быть антагонистическим или
синергическим (рис. 3. 2). Антагонизм проявляется, когда
физиологический эффект суммы нескольких элементов меньше суммар-
56
Li Rb Cu Zn Cd В Al Si Pb V As Se Cr Mo W Mn Fe Co Ni
Рис. 3. 2. Взаимодействие микроэлементов.
/ — антагонизм, 2 — синергизм, 3 — антагонизм и/или синергизм,
4— возможный антагонизм |по: Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989|.
ного физиологического эффекта элементов, взятых в
отдельности. О синергизме можно говорить тогда, когда физиологическое
действие нескольких элементов больше, чем отдельно взятых.
Дефицит того или иного элемента у растений возникает, когда
взаимоотношения между элементами носят конкурентный,
антагонистический характер.
Конкуренция между элементами может возникать уже на стадии
их физико-химической адсорбции клеточными стенками. Этим
структурам принадлежит ведущая роль в формировании доннановской
фазы свободного пространства растительной клетки. Конкуренции
57
ионов способствует ограниченное число адсорбционных мест и
обратимость большинства сорбционных процессов.
Связывание катионов микроэлементов клеточными стенками
происходит с помощью ионизированных карбоксильных групп
полисахаридов (пектиновых веществ, целлюлоз, гемицеллюлоз) и
гликопротеинов, входящих в состав матрикса. Эти группы
обеспечивают большое число отрицательных фиксированных зарядов
в клеточной стенке. Поглощение катионов осуществляется
пропорционально числу свободных карбоксильных групп в клеточных
стенках. Микроэлементы могут связываться и карбоксильными
группами белков. Однако эти группы сосредоточены главным
образом в пектиновых веществах, во фракции которых
концентрируются и микроэлементы. Удаление пектиновых веществ из
клетки сопровождается резким снижением поглощения
микроэлементов. Растения, содержащие в корнях много пектиновых
веществ, как правило, поглощают и большие количества
микроэлементов. Например, корни гороха адсорбируют значительно
большие количества цинка и марганца, чем корни кукурузы. Эти
различия объясняют большей (примерно на порядок) обогащен -
ностью корней гороха пектиновыми веществами. С помощью
специальных методик, позволяющих последовательно удалять
из клеточных стенок различные функциональные группы,
установлено, что разрушение только карбоксильных групп
приводит к элиминированию поглощения ионов клеточными
оболочками. Кроме карбоксильных групп в поглощении ионов
принимают участие и другие функциональные группы,
заряженные как отрицательно (гидроксильные, фосфатные), так и
положительно (аминные). Последние придают клеточной стенке
анионообменные свойства.
Прочность связи микроэлементов клеточными стенками
сильно варьирует в зависимости от физико-химической природы ионов
и их концентрации в среде. По устойчивости образуемых с
клеточной стенкой связей двухвалентные катионы
металлов-микроэлементов располагаются в ряду Cu2+ > Zn2+ > Fe2+ > Mn2+. С
увеличением степени окисленности металлов их сродство к
клеточным стенкам возрастает. Поглощение анионов микроэлементов
(бор, молибден) из растворов с их низким содержанием сильно
замедлено вследствие электростатического отталкивания
одноименных зарядов анионов и клеточных стенок.
58
Наиболее прочные связи с клеточными оболочками
формируются при низких концентрациях микроэлементов в среде. С
повышением концентрации связи микроэлементов с клетками корней
существенно ослабевают. Возможно, при низких концентрациях ионов в
растворе сначала насыщаются сайты, дающие с катионами
микроэлементов наиболее прочные связи, в том числе координационные. По
мере насыщения первоначальных мест поглощения «включаются»
другие функциональные группы, связи которых с катионами
микроэлементов значительно слабее. Этот факт установлен для
микроэлементов с разной комплексообразующей способностью (Zn, Mn,
Li) на примере отделенных корней и изолированных клеточных
оболочек гороха и кукурузы. При высоких концентрациях
микроэлементов в среде на поверхности корней могут также образовываться
нерастворимые соединения металлов.
Проявление конкуренции вероятнее всего между ионами,
имеющими сходные свойства, механизмы поглощения и места
связывания клеточными оболочками. Избирательность поглощения
растениями ионов зависит от величины их заряда и радиуса, гид-
рационной и поляризующей способности, координационных
свойств, коэффициентов диффузии. В результате поливалентные
металлы сильнее экранируют отрицательный заряд клеточных
стенок, чем одновалентные. Антагонизм между ионами, как
правило, регистрируют при более высоких концентрациях в растворах,
т. е. в диапазоне функционирования системы II, осуществляющей
поглощение ионов в основном пассивным способом.
Взаимодействие элементов происходит не только на этапе
поглощения корнем, но и при их транспорте и включении в метаболизм
растения. Например, свинец подавляет как поглощение, так и
передвижение железа, марганца и цинка в побег в результате нарушения
связывания микроэлементов с комплексообразователями,
участвующими в переносе ионов. Аналогичный факт установлен для магния
по отношению к цинку. Конкуренция между металлами может
проявляться в ферментных системах за места связывания с апобелком,
что отражается на скорости биокаталитических реакций.
Конкуренция между ионами обычно сопровождается снижением
их накопления в растениях (рис. 3. 3; 3. 4). Вследствие
антагонизма железа с тяжелыми металлами у растений появляется
хлороз. Классическим примером антагонизма между ионами
служат взаимоотношения железа и марганца.
59
15
10
о
О
§
X
2
Си
О.
н
ж
S
ж
о
Ь4
Стебель
ИЛ
XL
15г
10
2-й лист
Л
50
40
30
20
10
0
л
Главный
корень
г
П. л_1
0 10 100 10
Семядоли
I
3-й лист
1
JL
Боковые
корни
0 10 100 10
1 -и лист
I
Апекс
JL
л
Кончики
корней
JLO.
0 10 100 10
Концентрация Fe-ЭДТА, мкмоль/л
Рис. 3. 3. Концентрация марганца в различных частях растений томата
в зависимости от содержания железа в питательном растворе
[модифицировано по: Pich et a]., 1994).
Светлые столбики — дикий вид, заштрихованные — мутант chhronerva,
у которого симптомы хлороза проявляются даже при нормальной обеспеченности
растений железом.
Из макроэлементов кальций, магний и фосфор выступают
главными конкурентами микроэлементов в процессе поглощения
растениями (табл. 3. 2). Особая роль в регуляции избирательной
специфичности оболочек растительной клетки принадлежит кальцию.
Катионы кальция стабилизируют биологические мембраны и
влияют на величину трансмембранного электрохимического потенци-
60
8
6
4
_, 2
л
о
о
л
S 0
3К о
о 8
о
>«
t:
о
1 4
„
cd
Ж 2
5
1°
^ 50
g40
о
^ 30
20
10
0
~
Стебель
'1 1
j
1
uuL
r
Семядоли
[т
HI
1 -й лист
\i
м S
IILnJ.
2-й лист
X
Li
:
■*
3-й лист
-
■*
J
1 n 1
Апекс
" IlL
-
Главный
корень
j
In -1
L
-J
-
Боковые
. корни т
i
1 j
u
-
Кончики
корней
J
L
I
1 г
LJbJ
t
0 10 100 10
0 10 100 10
0 10 100 10
Концентрация Fe-ЭДТА, мкмоль/л
Рис. 3. 4. Концентрация цинка в различных частях растений томата
в зависимости от содержания железа в питательном растворе.
Обозначения, как на рис. 3. 3.
ала. В случае недостатка ионов кальция в среде избирательность
мембран при поглощении ионов понижена, что сопровождается
интенсивным выделением из клетки относительно
низкомолекулярных соединений. Для различных культур описана сильная
конкуренция между марганцем, с одной стороны, и магнием и
кальцием, с другой. Антагонизм ионов этих металлов обнаружен на стадии
их поступления в клетку. В повышенных концентрациях кальций
и магний могут ограничивать поступление марганца не только в
61
Таблица 3. 2
Взаимодействие макро- и микроэлементов в растениях
[модифицировано по: Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989]
Макроэлемент
Са
Mg
Р
К
S
N
Микроэлементы и другие химические элементы
Антагонизм
А1, В, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cs, Cu, F,
Fe, Li, Mn, Ni, Pb, Sr, Zn
Al, Be, Ba, Cr, Mn, F, Zn
Al, As, B, Be, Cd, Cr, Си, F, Fe, Hg,
Mo, Mn, Ni, Pb, Rb, Se, Si, Sr, Zn
Al, B, Cd, Cr, F, Mo, Mn, Rb
As, Ba, Fe, Mo, Pb, Se
B, F, Си
Синергизм
Cu, Mn, Zn
Al,Zn
Al, В, Си, F, Fe,
Mo, Mn, Zn
F, Fe
В, Си, Fe, Mo
Примечание. Жирным шрифтом выделены необходимые микроэлементы
и полезные для растений питательные элементы.
корни, но и в побег. Напротив, с возрастанием концентрации
марганца в среде подавляется поступление кальция и магния в
растительные ткани, в том числе и в семена.
На поступление микроэлементов в растение и их аккумуляцию
в растительных тканях сильное влияние оказывают тяжелые
металлы. Многие из них (Cd, Pb и др.) не относятся к группе
элементов, необходимых растениям, и в повышенных
концентрациях фитотоксичны. Например, под влиянием кадмия значительно
подавляется поглощение корнями многих микроэлементов (Fe, Mn,
Zn), что сопровождается снижением их концентрации в
растительных тканях. Вместе с тем токсичное действие тяжелого металла
может приводить к относительному увеличению поступления
микроэлементов в надземные органы по сравнению с корнем
(например, марганца под воздействием увеличивающейся концентрации
кадмия в питательной среде).
Между анионами также наблюдается конкуренция, а значит,
и ограничение селективности мест их связывания на
плазматической мембране. Хорошо известны такие примеры
конкуренции как взаимодействие сульфата и молибдата, сульфата и се-
лената, фосфата и арсената. Повышенное содержание в почве
сульфатов может существенно ограничивать поступление в
растение молибдена.
62
Взаимодействие ионов не всегда приводит к одинаковым
результатам. Например, описаны случаи не только
антагонистического, но и синергического, а также индифферентного действия
кальция на поглощение и транспорт ионов микро- и макроэлементов.
Физиологическое проявление взаимодействия ионов зависит от
многих факторов: биологических особенностей культур (в
частности, их толерантности к действию тяжелых металлов), природы и
концентрации в среде ионов, а также специфики органа или орга-
неллы растения, где измеряли концентрацию элементов.
Однозначное взаимодействие ионов регистрируется только при их
определенных соотношениях и одинаковой длительности воздействия.
3. 2. ФОРМЫ, ФУНКЦИИ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ
ЖЕЛЕЗО
ФОРМЫ И ФУНКЦИИ
Необходимость железа для высших растений впервые доказал
Д. Сакс (1860). В растение через корни этот элемент поступает
преимущественно в форме Fe (II) (см. 3. 1; 6). В дальнейшем
восстановленная форма железа может реокисляться, поэтому в тканях
растений железо представлено соединениями Fe (II) и Fe (III),
преимущественно в виде комплексов с различными органическими
соединениями. В строме пластид железо может запасаться в виде фи-
тоферритина, состоящего из соединений Fe (III) (12—23 % Fe на сухую
массу) и белковой оболочки. Фитоферритин часто находится в
кристаллической форме: (FeO ♦ ОН)8 • (FeO • ОРОэН2). Его содержание
высоко в листьях, выращенных в темноте; в процессе их
зеленения фитоферритин быстро исчезает. Фитоферритин локализован
не только в хлоропластах, но и в ксилеме и флоэме, встречается
также в клубеньках бобовых и семенах.
В растениях, в частности в апопласте клеток, значительная часть
железа находится в физиологически неактивной форме, т. е.
сосредоточена в форме малорастворимых соединений. В связи с этим
далеко не всегда прослеживается достоверная корреляция между
содержанием в листьях общего железа и хлорофилла. В условиях
Fe-дефицита связи между этими показателями, как правило, нет
63
или она очень слабая. Большая часть железа в растениях находится
в форме Fe (III), в то время как физиологически важной
представляется фракция Fe (II)/Fe (III), подверженная обратимым
окислительно-восстановительным превращениям. Для косвенной
оценки содержания в листьях так называемого активного железа в
качестве экстрагентов используют различные кислоты и хелаторы.
Цитрат железа (III) является основной формой транспорта этого
металла из корней в побег растений, осуществляемого по
ксилеме. Подвижность элемента во флоэме средняя: ниже таковой
калия, азота, фосфора, серы, но выше подвижности кальция, а
также марганца.
Легкая перемена валентности и высокая комплексообразующая
способность определяют участие железа в
окислительно-восстановительных реакциях растения. В составе ферментов железо может
встречаться как в гемовой, так и в негемовой форме.
Тем представляет собой железопорфириновый комплекс, в
котором атом железа координируется четырьмя атомами азота пи-
рольных колец протопорфирина (рис. 3. 5). Благодаря своим
свойствам протопорфирин стабилизирует белковую глобулу гем-
содержащих ферментов. В качестве простетической группы ге-
мовое железо входит в состав приведенных ниже белковых
соединений.
Цитохромы. Важнейшие компоненты
окислительно-восстановительных систем хлоропластов, митохондрий, некоторых
ферментов (пероксидазы, каталазы), леггемоглобина. В хлоропластах ге-
мопротеиды входят в состав электронтранспортных цепей (ЭТЦ)
фотосистемы II (цитохром Ь559), а также цитохрома/,
выполняющего вместе с пулом пластохинонов и пластоцианином функции
связующего звена между ФС II и ФСI. При переносе электронов
цитохромами железо обратимо изменяет свою валентность.
В дыхательной ЭТЦ митохондрий направление транспорта
электронов определяется величиной
окислительно-восстановительного потенциала цитохромов:
цит. Ь -> цит. с{ -* цит. с -» цит. ааъ -* 02.
Передавать электроны непосредственно на кислород способна
только цитохромоксидаза (цитохром аа3), обладающая наибольшим
из всех известных оксидаз сродством к 02.
64
Нитратредуктаза. Гем и молибденсодержащий флавопротеин,
катализирует восстановление нитрата (N03~) до нитрита (N02~):
N03~ + 2е~ - N02".
В высших растениях нитратредуктаза (HP) является димером
молекулярной массой 200-270 кД. Каждая субъединица (100—
115 кД) может отдельно участвовать в восстановлении нитрата до
нитрита и состоит из трех простетических групп (рис. 3. 6): фла-
винадениндинуклеотида (ФАД) — диафоразного компонента, ци-
тохрома Ь551 и молибденового кофактора (Мосо) — терминального
компонента. Перенос электронов от восстановленных
эквивалентов (НАД(Ф)Н) к нитрату осуществляется этими простетически-
ми группам последовательно. Нитратредуктаза грибов и водорослей
использует в качестве донора электронов преимущественно НАДФН.
Диафоразная часть фермента термолабильна и не подвержена
окислительно-восстановительным превращениям. Терминальная часть
СН = СН2 СН;
СН2 СН2
I I
ноос—сн2 сн2—соон
Рис. 3. 5. Структурная формула гема
65
FeCNB
Рис. 3. 6. Структура нитратредуктазы растений [по: Campbell, Smarelli, 1985].
Объяснения в тексте.
HP устойчива к нагреванию, ее активность подавляется металл-
связывающими ингибиторами и регулируется
окислительно-восстановительными реакциями. Нитратредуктаза относится к
полифункциональным ферментам с несколькими окишительно-восстановитель-
ными центрами, участвующими в восстановлении различных
субстратов. Простетическая группа ФАДН2 восстанавливает не
только нитраты, но также Fe (III) в форме цитрата или цианида.
Скорость восстановления железа составляет около 5 % от скорости
восстановления нитрата. Допускается возможность участия HP в
восстановлении комплексов железа с сидерофорами, синтезируемыми
микроорганизмами (см. гл. 6).
По-видимому, можно выделить два этапа синтеза фермента в
растениях: синтез полипептидных цепей субъединиц фермента и
присоединение к неактивному предшественнику HP молибдоко-
фактора. При недостатке молибдена в растениях обнаруживается
значительное количество предшественников HP, которые не
содержат молибдена и не обладают нитратредуктазной активностью.
Под действием молибденовых удобрений формируются активные
формы HP. Дефицит молибдена, а также железа в среде
способствует существенному подавлению активности энзима и
повышению содержания в растениях нитратов.
В растениях может находиться несколько конститутивных форм
HP. У сои обнаружены три изоформы HP: две конститутивные с
оптимумом рН 6,5 и одна нитратиндуцибельная с оптимумом
рН 7,5. При содержании в среде нитратов активность фермента
многократно увеличивается, а аминокислот уменьшается. Индукция
66
HP происходит на уровне мРНК. Нитраты оказывают
стабилизирующее действие на HP, защищая фермент от действия протеи-
наз. Кроме нитратов индукцию фермента вызывают цитокинины
и этилен, а также некоторые органические кислоты и сульфат
аммония при рН 3,0.
В растительной клетке HP сосредоточена главным образом в
цитозоле, возможно, в результате образования непрочных связей
с мембранами, в частности эндоплазматического ретикулума, а
также с плазмалеммой. Однако в ряде случаев выявлена связь этого
фермента с ламеллярными структурами и стромой хлоропластов.
Нитритредуктаза. Мономерный полипептид с молекулярной
массой 60—70 кД, в качестве простетической группы содержит гем.
Катализирует вторую стадию редукции нитратов —
восстановление нитрита до аммиака:
N02" + бе" - NH4+.
Нитритредуктаза (НиР), в отличие от нитратредуктазы,
локализована в хлоропластах листьев и в пропластидах корней и
других нефотосинтезирующих органов. В зеленых листьях донором
электронов служит восстановленный ферредоксин (Фд),
генерируемый на свету ФС I. Восстановление нитритов в листьях может
быть представлено в виде следующей схемы:
N02" + 6Фдвосст+ 6Н+ + 6е~ - NH3 + 6 Фдокисл+ 2Н20 + ОН .
В корнях и других нефотосинтезирующих органах или в
темноте сходные функции выполняет белок, аналогичный ферредок-
сину. При этом поставка энергии, необходимая для
продуцирования восстановленных эквивалентов, обеспечивается за счет
гликолиза и/или гексозомонофосфатного пути. Несмотря на различную
локализацию HP и НиР в растительной клетке, в нормальных
условиях нитриты практически не накапливаются в растениях, что
обусловлено повышенной активностью растительных нитритредуктаз,
препятствующей проявлению фитотоксичного действия нитритов.
Пероксидаза и каталаза. Представляют собой группу
ферментов, участвующих в трансформации пероксида водорода. С
образованием и утилизацией Н202 тесно связаны важнейшие
процессы клеточного метаболизма. В пероксидазе — гемсодержащем
67
гликопротеиде, порфириновое кольцо гема состоит из протопор-
фирина IX. Гидрофобные свойства порфиринового макроцикла
обусловливают формирование третичной структуры нативной пе-
роксидазы. Гемовая часть фермента выполняет роль активного
центра, участвующего в разложении или активации пероксида
водорода. Субстратом для пероксидазы могут служить наряду с Н202
органические пероксвды, например пероксвды ненасыщенных
жирных кислот и каротина. С помощью пероксидов происходит
окисление различных субстратов: большинства фенолов (пиракатехина,
пирогаллола, гидрохинона, резорцина и др.), бензидина,
адреналина, анилина, ароматических кислот (бензойной, салициловой,
галловой), аскорбиновой кислоты, нитритов. В обобщенном виде
реакции, катализируемые пероксидазой, можно представить
следующим образом:
Ж2 + Н202-*+2Н20,
Ж + Ж + Н202 - Х-Х+ 2Н20,
где X — субстрат. Примером реакций первого типа служит деток-
сикация пероксида водорода, осуществляемая аскорбатпероксида-
зой в хлоропластах. По принципу реакций второго типа
происходит полимеризация с участием пероксидаз фенолов до лигнина. В
качестве субстратов первой и второй реакции выступают феноль-
ные компоненты.
Первичные клеточные стенки растительных клеток содержат ряд
оксидоредуктаз, среди которых превалируют пероксидазы. Они
могут катализировать образование поперечных связей между фе-
нольными компонентами клеточных стенок. Ниже приведена схема
образования лигнина в апопласте с участием пероксидаз (рис. 3.7).
В корнях Fe-дефицитных растений пероксидазная активность
сильно подавлена, что способствует накоплению в ризодерме фенолов,
играющих важную роль в адаптации растительного организма.к
условиям Fe-стресса (см. гл. 6).
Фермент пероксидаза может проявлять не только пероксидаз-
ные, но и оксидазные свойства, окисляя ряд соединений за счет
неактивированного молекулярного кислорода. Важное
биологическое значение имеет окисление пероксидазой НАДН2 и НАДФН2,
т. е. ее участие в процессе дыхания клетки. Многие пероксидазы
обладают ауксиноксидазной активностью и могут регулировать
68
Апопласт
► Лигнин
Н2Ог -
Лероксидаза
о© ..
Рис. 3. 7. Участие пероксидаз в синтезе лигнина [no: H. Marschner, 1997;
воспроизведено с любезного разрешения Academic Press Limited]
уровень ауксинов в растительной ткани. Для окисления ИУК пе-
роксидазой необходимо, чтобы в активном центре фермента были
свободные карбоксильные группы, взаимодействующие с аминны-
ми группами апобелка. Возможно, пероксидазы принимают
участие в регуляции растяжения клеточных стенок. Так, динамика
секреции пероксидаз в клеточную стенку колеоптилей кукурузы
коррелирует с динамикой роста. Удаление тема из состава
пероксидазы практически подавляет пероксидазную активность
фермента, при этом его оксидазная активность снижается в
меньшей степени.
Пероксидаза характеризуется множественностью молекулярных
форм. Ее изозимный набор состоит из кислых, нейтральных и
щелочных форм. Разнообразие изоформ фермента может быть
результатом гликозилирования определенных аминокислотных
остатков. Изопероксидазы различаются по активности катализа
реакций окисления различных субстратов, что существенно
расширяет биохимические возможности энзима.
Пероксидаза катализирует разнообразные реакции в
растительных тканях практически всех типов. Пероксидазная активность
обнаружена в хлоропластах, цитоплазме, клеточных стенках,
хромосомах, ядрышках. Причем активность фермента может
индуцироваться факторами физической, химической и биологической
природы. Дискутируется вопрос об участии энзима в защитных
реакциях растений, в частности на действие патогенов (бактерий,
грибов, вирусов). Бактерицидное действие пероксидазы
усиливается в присутствии пероксидов и фенолов.
Трансформация пероксида водорода до Н20 и 02 происходит с
помощью катал азы:
н2о2-н2о + у2о2.
Наряду с пероксидазой и супероксиддисмутазой каталаза игра-
ет важную роль в детоксикации активных форм кислорода.
Основная часть пула клеточной каталазы содержится в пероксисомах.
Эти структуры рассматривают в качестве органелл, играющих
важную роль в регуляции тех процессов в клетке, которые связаны с
трансформацией пероксидов. В них сосредоточен комплекс
ферментов, участвующих в образовании и разложении Н202,
генерации и гашении супероксидных радикалов. Эти весьма
реакционные компоненты в значительной мере определяют интенсивность
морфогенетических и других процессов с участием пероксидаз.
Леггемоглобин. Белок красного цвета молекулярной массой около
16 кД, содержит железо в форме гема (идентичен цитохромам).
Относится к нодулинам — специфическим белкам клубеньков,
кодируемым растительными генами. Образуется в клубеньках
только при эффективном симбиозе растения с клубеньковыми
бактериями родов Rhizobium и Bradyrhizobium. Леггемоглобин защищает
нитрогеназу бактероидов, осуществляющую фиксацию N2 только
в анаэробных условиях, от повреждающего действия кислорода.
Восстановленная форма гемового железа — ферролегтемоглобин,
участвует в присоединении кислорода. Окисленный (ферри)
леггемоглобин в клубеньках не обнаружен. Вероятно, в клубеньках
бобовых существует несколько систем, поддерживающих
леггемоглобин в функциональном состоянии. Важнейшими среди них
являются НАД(Ф)Н2-зависимые редуктазы, супероксиддисмутаза
растительных клеток клубенька, пероксидаза, система окисления
ИУК.
Инактивацию леггемоглобина пероксидом водорода предотвра- .
щает никотиновая кислота, образующая стабильные комплексы с
Fe-белком. В реакции комплексобразования атом азота
никотинового кольца взаимодействует с атомом железа гема в шестом
координационном положении. Третья карбоксильная группа
никотиновой кислоты образует дополнительную связь с белковым
компонентом леггемоглобина. Чем стабильнее никотинатный комплекс,
тем продолжительнее функционирует леггемоглобин в процессах
70
оксигенирования—деоксигенирования. Деструкция леггемоглоби-
на сопровождается падением азотфиксирующей активности
бобовых растений. Стабильность комплексов леггемоглобина с
никотиновой кислотой в клубеньках бобовых эволюционно более
молодых видов (соя, фасоль) выше, чем у более древних (люпин).
Количество леггемоглобина в клубеньках варьирует в
зависимости от вида и возраста растений. Установлена тесная, но не
линейная, корреляция между концентрацией леггемоглобина в
клубеньках и интенсивностью фиксации ими атмосферного азота.
Леггемоглобин локализован в цитозоле растительной клетки,
его нет в перибактероидном пространстве и бактероидах. Отметим,
что он может поступать в перибактероидное пространство из ци-
тозоля лишь при повреждении перибактероидной мембраны.
Однако это не исключает возможности его участия в защите нитро-
геназы от повреждающего действия кислорода. Леггемоглобин
может функционировать как переносчик молекулярного
кислорода к перибактероидной мембране или через нее. Механизмы
взаимодействия оксигенированных форм леггемоглобина с
перибактероидной мембраной до сих пор не выяснены. В частности,
неизвестно, есть ли на перибактероидной мембране рецепторы,
обладающие специфическим сродством к легтемоглобину. Нечто
похожее на взаимодействие оксигенированного леггемоглобина с
перибактероидной мембраной происходит при взаимодействии
гемоглобина с эритроцитами. В мембранах последних выявлены по
крайней мере два типа связывающих гемоглобин участков:
неполярные участки белковой природы с высоким сродством и
участки с низким сродством (фосфолипидный бислой). Тем не менее к
настоящему времени доказана принципиальная возможность
встраивания гемина в перибактероидную мембрану симбиосом,
выделенных из клубеньков люпина желтого.
Кроме того, железо входит в состав целого ряда негемовых
белков. В последних металл координирован в кластеры тиоловыми
группами цистеина и /или неорганической серой. Ниже
приведены основные Fe—S-белки растений.
Ферредоксин. Это соединение участвует в транспорте
электронов при осуществлении многих метаболических процессов, в
частности, фотосинтеза, восстановления нитритов, азота и
сульфитов. В условиях Fe-дефицита содержание ферредоксина (Фд)
уменьшается, как и содержание в листьях хлорофилла.
71
Нитрогеназа. Ключевой фермент, катализирующий фиксацию
молекулярного азота у азотфиксирующих микроорганизмов
(аэробные и анаэробные бактерии, цианобактерии), корневых
клубеньков бобовых и небобовых растений (рис. 3. 8). Состоит из двух
чувствительных к кислороду негемовых белков: Fe-белка и Mo-
Fe-белка. Fe-белок молекулярной массой 50—70 кД состоит из двух
субъединиц и одного Fe—S-кластера состава Fe4S4. Этот белок —
наиболее чувствительный к кислороду компонент нитрогеназы. В
нем локализован центр связывания Mg-АТФ. После
присоединения этой молекулы Fe-белок может служить донором электронов
для Мо—Fe-белка. Молекулярная масса Мо—Fe-белка составляет
200—240 кД, он построен из четырех субъединиц и содержит 28-
34 атома негемового железа, двух атомов молибдена и 18—24
атомов серы на одну молекулу. Около половины негемового железа
в молекуле Mo-Fe-белка сосредоточено в четырех железосерных
кластерах типа Fe4S4. Остальное негемовое железо локализовано в
молибдокофакторе нитрогеназы. Цистеиновые остатки
рассматривают как вероятные места образования Fe-S-кластеров. Азотфик-
сирующей активностью обладает только комплекс двух
компонентов нитрогеназы.
Нитрогеназа участвует в катализе трех сопряженных реакций:
восстановлении субстратов (N2 и др.), гидролизе АТФ и АТФ-за-
висимом выделении водорода. Связывание и восстановление
азота осуществляется на Mo-Fe-белке (рис. 3. 9). Этап протонирования
Мо является необходимым для связывания азота, в результате
которого выделяется Н2. В расщеплении Н2 до 2Н+и 2е~
принимает участие нитрогеназа (гидрогеназная функция нитрогеназы).
В отсутствие субстратов (N2) преобладающим продуктом реакции
становится водород. Даже в оптимальных для Ы2-фиксации
условиях около 25 % от общего потока электронов, проходящего
через нитрогеназу, направлено на формирование протонов.
Кроме молекулярного азота нитрогеназа восстанавливает
некоторые соединения с тройной связью: азиды, цианиды, ацетилен,
а также нитрилы, изонитрилы, циклопропен, цианамид, закись
азота до N2 и нитриты. Восстановление нитритов до аммиака
происходит, по-видимому, на Fe-белке.
Fe-белок участвует только в транспорте электронов от их
доноров (ферредоксин, ФАД) к Mo-Fe-белку. Функции восстановителя
Mo-Fe-белка Fe-белок начинает выполнять после присоединения
72
s
WSWWW
ХЧХ\\\\\\
\4\N\S\4W
;\\\\\ \\\\'ч
WWWW\n
\\\\\\\\\'ч
73
2е~
т""" "
МоН2 -^Ц-—-Mo=N==N $- -Mo—N=N
н
2Н+
NH3 NH3 H+
t . t
о « ^ « 3" Мо= N -—^- —
Н+
MossN—N
Мо » ^ « J" Mo=N^ *--—— Mo=N—N— H
Зе- е ^н
Рис. 3. 9. Протонирование и восстановление молекулярного азота
Мо-нитрогеназой [по: Richards, 1991, модификация Marschner, 1997;
воспроизведено с любезного разрешения Academic Press Limited]
двух молекул Mg-АТФ и снижения (до - 490 мВ) окислительно-
восстановительного потенциала. Редукция субстратов Mo-Fe-белком
осуществляется после его восстановления Fe-белком. Работа нит-
рогеназы сопровождается гидролизом АТФ до АДФ (16—30 молей
на 1 моль N2). Эта реакция, вероятно, осуществляется на АТФазном
центре фермента, примыкающем к комплексу Fe—S-кластеров Мо-
Fe-белка. По окончании элементарного каталитического акта
окисленная форма Fe-белка диссоциирует от Mo—Fe-белка. Этот этап
рассматривают как стадию, лимитирующую работу нитрогеназы —
одного из наиболее медленно работающих ферментов бактериальной
клетки. Низкая скорость работы фермента компенсируется
интенсивным синтезом его молекул: до 20 % общего белка клетки. В защите
нитрогеназы бактероидов от необратимой инактивации кислородом
важная роль принадлежит леггемоглобину.
Супероксиддисмутаза. Некоторые изозимы супероксиддисмутазы
(СОД) содержат железо в качестве компонента простетической
группы (РеСОД). Таков типичный изозим супероксиддисмутазы
в хлоропластах, который встречается также в митохондриях и пе-
роксисомах. Кроме железа СОД может содержать медь, цинк или
марганец (см. 3. 2). Супероксиддисмутаза участвует в детоксика-
ции свободных супероксидных радикалов (О^5), формируя Н202:
20/+ 2Н+ - О, + Н,07.
74
Образование кислородных радикалов происходит прежде всего
в результате фотодинамического действия света на хлорофилл.
Появлением радикалов сопровождается также работа НАДФН-ок-
сидаз плазматических мембран, микросомальной НАДФН-цитох-
ром-/>5-редуктазы, митохондриальной НАДФН-дегидрогеназы,
ксантиноксидазы. Кроме того, образование 02т, сопутствует
некоторым реакциям, катализируемым пероксидазой и рибулозо-1,5-
бисфосфаткарбоксилазой/оксигеназой (РБФК/О). Активные
формы кислорода токсичны и могут повреждать различные компоненты
клеток, например, инициируют пероксидное окисление липидов
биологических мембран, что способствует их дезинтеграции и
повышению проницаемости. С образованием супероксидных
радикалов связаны многие патологические процессы в растениях,
обусловленные инфекционными заболеваниями, действием
гербицидов, ксенобиотиков, неблагоприятных экологических факторов
и механических повреждений. Влияние свободных радикалов
ограничивается действием естественных антиоксидантов,
содержащихся в тканях растений, и работой ферментов, главным образом СОД.
Аконитаза. Железо-серный белок, катализирующий
изомеризацию цитрата до изоцитрата в цикле трикарбоновых кислот.
Железо, компонент негемовой простетической группы, необходимо
для стабилизации и активации фермента. Fe-кластер ответствен за
пространственную ориентацию субстратов (цитрат—изоцитрат).
Катализ не сопровождается изменением валентности железа. В
условиях недостатка железа низкая аконитазная активность ведет
к накоплению в растениях органических кислот, особенно
лимонной и молочной, что рассматривают как один из
механизмов адаптации растительного организма к условиям Fe-стресса
(см. гл. 6).
Ксанттшоксидаза/дегадрогеназа. Представляет собой металлофла-
вопротеин молекулярной массой около 300 кД, состоящий из двух
субъединиц. Каждая субъединица содержит один атом молибдена
с одной молекулой ФАД и четыре Fe-S-кластера (Fe2S2). У этого
энзима много общего с апоферментом нитратредуктазы, в том числе
и значение молекулярной массы. Ксантиноксидаза катализирует
катаболический путь пуринов до мочевой кислоты. Может
работать как ксантиноксидаза с молекулярным кислородом в качестве
терминального акцептора электронов или как ксантиндегидроге-
наза, в последнем случае электрон переносится на НАД+. Фермент
75
играет ключевую роль в азотном метаболизме растений. Так, у
бобовых продукты окисления пуринов — уреиды, выступают
главным азотсодержащим компонентом, формирующимся в корневых
клубеньках уреидных растений (соя). Нарушения работы ксантин-
оксидазы при Fe-дефиците обусловливают аккумуляцию и
выделение корнями двудольных рибофлавина. Этот процесс
рассматривают как один из механизмов адаптации растений к условиям
недостатка железа (см. гл. 6).
Липоксигеназы. Содержат один атом железа на одну молекулу.
Катализируют пероксидное окисление линолевой и линоленовой
кислот в цепи превращения полиненасыщенных жирных кислот,
играющих важную роль в регуляции лабильности мембран. В
процессе липоксигенирования свободные полиненасыщенные жирные
кислоты превращаются в гидропероксиды и множество других
соединений, сопутствующих пероксидному окислению липидов.
Продукты пероксидации более гидрофильны, что отражается на
свойствах мембраны. Повышенная липоксидазная активность,
характерная для жировых тканей и органов, может быть критической
для стабильности мембран.
Фитоферритин. Металлопротеин, выполняющий функцию
аккумулятора железа. Состоит из белковой оболочки и ядра:
кристаллитов (кластеров), содержащих оксиды и основные соли
железа. Механизм образования фитоферритина до конца не ясен. По-
видимому, белком поглощаются соединения Fe (II), окисляющиеся
до сложных образований, в состав которых входят катионы Fe3+,
ОПТ, N03~, фосфатные анионы. Мобилизация железа из
фитоферритина сопровождается восстановлением металла до Fe (II).
Возможно, важную роль в восстановлении играют аскорбиновая
кислота и цистеин.
УЧАСТИЕ В БИОСИНТЕЗЕ ХЛОРОФИЛЛА
Одна из важнейших функций железа состоит в его
непосредственном участии в биосинтезе хлорофилла (рис. 3. 10). Скорость
образования предшественника хлорофилла и Fe-порфириновых
структур — 6-аминолевулиновой кислоты, контролируется
железом. Низкое содержание хлорофилла в молодых листьях
(хлороз) относят к типичным симптомам Fe-дефицита у высших
растений.
76
5С-соединения
f Fe
б-аминолевулиновая кислота
Порфобилиноген
Уропорфириноген
Копропорфириноген
Протопорфириноген
Протопорфирин
Гем Mg-протопорфирин
Протохлорофиллид
Хлорофилл
Рис. 3. 10. Биосинтез хлорофилла
В хлоропластах железо входит в состав реакционных центров
(РЦ) ФС I и ФС II. Судя по низкотемпературным спектрам ЭПР
препаратов РЦ ФС I, ряд акцепторов электронов можно отнести
к Fe-S-кластерам различного состава. Всего в реакционном
центре ФС I на пигмент П 700 приходится 10-12 атомов негемового
железа и столько же атомов серы. В РЦ ФС II первичный
акцептор электронов (Q) представляет собой комплекс я-пластохинона
с негемовым железом (Q—Fe2+). Роль этого железа до сих пор
остается неясной. При восстановлении акцептора металл не изменяет
валентности, кроме того не образует координационных связей с
вторичным хиноном. Всего в РЦ ФС II на пигмент П 680
приходится три-четыре атома негемового железа.
СОДЕРЖАНИЕ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ
Из всех металлов-микроэлементов наибольшее содержание в
растениях приходится на долю железа (табл. 3. 3). Распределение
железа по растению неравномерно. В корнях его концентрация в
несколько раз выше, чем в побеге. У гороха и кукурузы в клетках
корня и побега железо в основном (более 60 % общего железа в
клетке) приурочено к фракции клеточных стенок. С фракцией,
77
Таблица 3. 3
Типичные концентрации металлов переходной
группы в листьях растений [по: Baker, 1983]
Металл
Fe~
Мп
Си
Zn
Со
Мо
Концентрация
мг/кг
сухой массы
50-300
25-250
5-15
15-75
0,2-29
0,5-5
мкмоль/л
клеточного сока
0,15-0,75
0,06-0,60
0,01-0,03
0,03-0,15
0,005-0,050
0,004-0,075
обогащенной органеллами, связано (в зависимости от вида и органа
растений) 10—24 % железа. Относительное содержание микроэлемента
в мембранной фракции не превышает 3 %. Содержание железа в
растворимой фракции клетки существенно зависит от вида и органа
растений. Так, в побеге гороха значение этого показателя достигало
21 % от общего содержания железа в клетке, а в корнях гороха, в
корнях и побегах кукурузы не превышало 5 %. В хлоропластах
локализуется до 80 % железа от его общего количества, находящегося
в листьях. Большая часть железа сосредоточена в тилаковдах хлороп-'
ластов. В тилакоидных мембранах около 20 атомов железа в расчете
на единицу ФСII и ФСI непосредственно включены в ЭТЦ. Столь
высокая потребность в железе необходима для структурной и
функциональной интеграции мембран. В связи с этим
функционирование хлоропластов вообще и тилакоидов в частности в сильной
степени зависит от обеспеченности растений железом. До 25 % железа
клубеньков фиксирующих молекулярный азот растений локализовано
в перибактероидном пространстве. Этот пул представляет собой не-
гемовую фракцию железа, состоит из сидерофорных комплексов
бактериального происхождения и служит резервом в симбиосоме.
ДЕФИЦИТ ЖЕЛЕЗА
Это явление очень широко представлено у растений в
регионах распространения карбонатных почв, занимающих около 30 %
земной поверхности. Дефицит в этих почвах подвижных форм
78
железа обусловливает возникновение карбонатного (известкового,
железного) хлороза — опасного заболевания, способного
существенно ограничивать продуктивность культурных растений, а при
сильном развитии приводить к их гибели. Дефицит железа может также
проявляться при высоком содержании в почве марганца, цинка и
меди, применении повышенных доз фосфора и извести.
Критический уровень общего железа в листьях составляет около 50—
100 мг/кг сухой массы.
В меньшей степени недостаток железа влияет на рост листьев,
число клеток в расчете на единицу поверхности листа и число
хлоропластов в расчете на клетку. Деление клеток и рост листьев
подавляются только при сильном Fe-дефиците.
Наиболее сильные изменения происходят в пластидном
аппарате листьев. Пластиды становятся меньше, система тилакоидов
сильно редуцирована. Граны в хлоропластах содержат всего два-
три тилакоида со взаимно нарушенной ориентацией, появляются
пузырьки в периферической части пластид. В условиях
недостатка железа синтез белка в хлоропластах подавляется значительно
сильнее, чем в цитоплазме.
Ключевая роль железа в синтезе хлорофилла,
функционировании ЭТЦ и фотосистем хлоропластов подтверждается тем, что
Fe-дефицит сказывается прежде всего на снижении содержания в
листьях хлорофилла и каротиноидов и подавлении активности
фотосистем. При этом активность ФС I подавляется намного
больше, чем ФС И. Значительное снижение активности ФС II
наблюдают только при строгом Fe-дефиците. После нормализации
питания растений железом восстановление активности ФС II
происходит не в такой степени как ФС I.
Концентрация каротиноидов тоже снижается, но в меньшей
степени, чем хлорофилла, что приводит к уменьшению значения
отношения хлорофилл/каротиноиды. Снижение содержания
зеленых пигментов обусловлено главным образом недостатком
хлорофилла Ь. При недостатке железа тормозится синтез 5-аминолеву-
линовой кислоты — предшественника хлорофилла и гемовых
соединений. Fe-стресс вызывает также уменьшение содержания в
растениях ферредоксина и подавление регенерации его
восстановленной формы.
Нарушения структуры и работы пигментного аппарата листьев
вследствие недостатка железа приводят к снижению интенсивности
79
фотосинтеза. Ингибирование фотосинтеза объясняют в первую
очередь подавлением скорости транспорта электронов, а не свето-
собирающей функции хлоропластов. Дефицит железа вызывает
смещение транспорта электронов в направлении более
интенсивного восстановления кислорода. В результате в хлоропластах
накапливаются токсичные для растений супероксидные и гидроксиль-
ные радикалы. Кроме того, при пониженной активности перок-
сидаз и каталазы в клетках накапливается пероксид водорода. Эти
формы активного кислорода способны вызывать нарушения
пигментного аппарата хлоропластов: разрушение пигментов,
пероксид ное окисление липидов и дезинтеграцию мембран.
Изменения фотосинтеза, обусловленные недостатком железа,
отражаются на углеводном обмене растений, в частности,
наблюдается низкое содержание Сахаров и крахмала в листьях.
Симптомы Fe-дефицита отмечаются визуально. Сначала
становится заметной белесая, бледно-зеленая, желтая окраска тканей
листа между жилками. При усиливающемся недостатке железа
жилки листьев также бледнеют, а ткани отмирают. Первые признаки
хлороза появляются на молодых листьях, вследствие слабой
реутилизации железа старые листья дольше остаются зелеными. В
дальнейшем заболевание может распространиться и на другие
ярусы. У травянистых растений верхние молодые листья желтеют,
формирующиеся соцветия мелкие и слабые. У плодовых деревьев
усыхают кончики ветвей и побегов.
МАРГАНЕЦ
ФОРМЫ И ФУНКЦИИ
Первые обширные исследования физиологической роли
марганца в растениях проведены французским биохимиком Г. Бертраном
(Bertrand, 1897). Он первым высказал предположение, что
микроэлементы могут быть составной частью ферментов. Бертрану
удалось установить одну из важнейших функций марганца — его
участие в окислительных процессах. Ученый определил
специфическую природу действия марганца на оксидазы и назвал этот
металл коферментом оксидаз.
В биологических системах марганец проявляет главным образом
валентности II—IV. Относительно стабильны Мп (II), Мп (IV), при-
80
чем доминируют двухвалентные формы марганца, нестабилен Мп (III).
В настоящее время известны только два Mn-содержащих фермента:
Мп-белок в фотосистеме II и супероксиддисмутаза (МпСОД).
Mn-белок. Входит в состав так называемого кислородвьщеляющего
комплекса ФСII (рис. 3.11), который содержит два или четыре
атома марганца, пять—семь мембранных белков, ионы Са2+ и СГ,
связанные с реакционным центром
фотосистемы, цитохром b5S9, пла-
стохиноны, феофитин, набор хло-
рофиллов, включающий пигмент
Пш и каротиноиды.
Молекулярная масса Mn-содержащего
полипептида составляет 33 кД. В этот
комплекс входит один атом
марганца, а лигандом служит
фрагмент полипептидной цепи.
Согласно модели (рис. 3. 12), две
связи центрального атома (Мп)
участвуют в каталитической
реакции и не включены в
координационную связь. На
промежуточной стадии работы комплекса эти
связи блокируются ионами хлора.
Функционирование Мп-белка
осуществляется в два этапа. На
первом этапе происходит его
сопряжение с иононовым кольцом
каротиноида. Сопряжение осуществляется за счет формирования
а-связей путем перекрывания двух гибридных орбиталей Мп2+ и
двух /;2-орбиталей атомов углерода в иононовом кольце. В
результате происходит разрыв двойной связи в кольце каротиноида и
образование структуры П^о—каротаноид—Мп белок, которая участвует в
переносе неспаренного электрона от Мп2+ к пигменту П^.
Транспорт электрона сопровождается восстановлением пигмента и
окислением Мп2+ до Мп3+. Второй этап работы Mn-белкового комплекса
заключается в восстановлении Мп3+ до Мп2+ в результате
расщепления внедряемой в координационную сферу комплекса молекулы воды
Н20 - е + Н+ + ОН*.
81
У///Ш^^^
ФСН
2 нм
Wa
ЧШ/Ш/Ш
ТЖ.
Рис. 3. 11. Структура кислород-
выделяющей части ФС II
[по: Carter et al., 1984).
ПШ1 — пигмент реакционного центра,
7. — Mn-белковый комплекс,
Q — каротиноид, соединяющий пигмент
и Mn-белковый комплекс.
Рис. 3. 12. Модель Mn-белкового комплекса ФС II
[no: Christie, Costa, 1983]
Отметим, что потребность в марганце одноклеточной
водоросли Chlorella в гетеротрофных условиях в 1000 раз меньше, чем в
автотрофных. Этот и многие другие факты свидетельствуют об
исключительно важной роли марганца в процессе фотосинтеза.
Супероксиддисмутаза. Участвует наряду с другими изофермен-
тами в детоксикации супероксидного радикала (см. 3. 2). В
отличие от FeCQH, супероксиддисмутаза (МпСОД) находится главным
образом в митохондриях и пероксисомах. Локализация МпСОД в
хлоропластах дискутируется. У высших растений широко не
распространена.
АКТИВАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
У растений число истинных Mn-содержащих ферментов
ограничено, однако марганец играет важную роль в
каталитических реакциях в качестве активатора. Известно более 35
ферментов, активируемых марганцем. Большинство из них
катализируют реакции окисления—восстановления, декарбоксилирования,
гидролиза. Существенно значение марганца как активатора
отдельных реакций в цикле трикарбоновых кислот и в процессе
фотосинтеза:
82
. Малик-энзим ^ . _
малат+НАДФ+ £—т—^ пируват+НАДФН+Н++С02,
Mn , Mg
изоцитрат+НАДФ+ 3°^тРатДе™Дртгеназа оксалосукцинат+НАДФН.
Mn , Mg''
В опытах in vitro установлено, что во многих случаях Мп2+ по
своему активирующему действию на ферменты может быть
замещен на Mg2+. В связи с более высоким содержанием в клетке Mg2+
по сравнению с Мп2+ становится очевидным, что активирующее
действие марганца важнее для ферментов с высокой
специфичностью к этому металлу, например для ФЕП-карбоксилазы,
катализирующей реакцию
оксалоацетат + АТФ «-+ фосфоенолпируват + С02 + АДФ.
Работа этого фермента в значительно большей степени
активируется марганцем, чем магнием. Возможно, субстратом для ФЕП-
карбоксилазы служит комплекс Mn-АТФ, а не Mg-АТФ, как в
большей части других реакций.
Марганец активирует несколько ферментов, катализирующих
превращения шикимовой кислоты, биосинтез ароматических
аминокислот (тирозин) и других вторичных продуктов (лигнин, фла-
воноиды), например пероксидазу, участвующую в синтезе
лигнина. Mn-зависимые ферменты принимают участие в биосинтезе ка-
ротиноидов и стеролов (фитинсинтетаза). Ионы марганца влияют
на структуру и функции хроматина. Под влиянием марганца
увеличивается содержание негистоновых белков и РНК в
диффузной фракции хроматина. В первую очередь марганец необходим
для репликации и функционирования ДНК- и РНК-полимераз.
Марганец участвует в азотном обмене бобовых. У сои в
результате ассимиляции фиксированного из атмосферы азота образуются
аллантоин и аллантоиновая кислота. Их включение в метаболизм
осуществляется в побеге под влиянием Mn-зависимого фермента — ал-
лантоиназы, в корнях проявления ее активности не обнаружено.
При дефиците марганца повышается содержание нитратов в
растениях. Однако пока не получено прямых доказательств
непосредственного участия Мп2+в регуляции активности нитратредукта-
зы. Нарушения в восстановлении нитратов, наблюдаемые в
условиях Mn-стресса, могут быть следствием дефицита восстановленных
83
эквивалентов в хлоропластах и углеводов в цитоплазме
растительных клеток. Кроме того, марганец стимулирует передвижение ас-
симилятов в растении, однако это неспецифичный эффект,
аналогичный результатам действия других микроэлементов (Zn, Си,
Мо, В).
Марганец связан с обменом белка, в частности через
регулирование активности ДНК- и РНК-полимераз, а также с ауксиновым
обменом. Из многих металлов только Мп2+ стимулирует
растяжение клеток колеоптилей овса, индуцированное ИУК. Возможно,
Мп2+ влияет на синтез специфических белков, необходимых для
длительного роста отрезков колеоптилей.
СОДЕРЖАНИЕ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ
Нами приведены значения содержания марганца в листьях
растений (табл. 3. 3). Содержание марганца в травах колеблется от
17 до 334 мг/кг. Марганец обычно концентрируют растения,
богатые танидами. Довольно много марганца содержат также алка-
лоидоносы. Содержание марганца повышено в корнеплодах свеклы,
понижено во фруктах. Манганофилы могут накапливать марганец
до 2000 мг/кг сухой массы. Значительное число манганофилов
встречается среди гидрофитов и гигрофитов.
В корнях концентрация марганца существенно выше, чем в
побегах. В надземных органах трав содержание марганца в
листьях выше, чем в стеблях. У древесных форм и кустарников
марганец распределен по надземным органам следующим образом:
листья (хвоя) > кора > древесина.
У гороха и кукурузы до 40 % марганца от его общего
содержания в клетке приурочено к фракции клеточных стенок. В
растворимой фракции клеток содержится около 30 %; во фракции,
обогащенной органеллами, около 20; в мембранной фракции 6 % от
общего марганца. Эта закономерность верна для корней и
побегов растений изученных видов. Из клеточных органелл больше
всего марганца содержат хлоропласты. Самый большой пул
свободного марганца в растительной клетке связан с вакуолью. В
процессе поглощения растением марганца уровень содержания его
свободных форм в цитозоле относительно низок. Вероятно, в
растительной клетке существуют системы активного контроля за
концентрацией свободного марганца в цитозоле.
84
ДЕФИЦИТ МАРГАНЦА
Симптомы недостатка марганца чаще всего проявляются на
карбонатных и известкованных кислых почвах. Критическая
минимальная концентрация марганца в зрелых листьях варьирует от
10 до 25 мг/кг сухой массы. В условиях недостатка этого
элемента в первую очередь уменьшается продуцирование
фотосинтетического кислорода, а содержание хлорофилла и сухой массы листа
изменяется незначительно. Изменяется ультраструктура мембран
талакоидов, а при жестком Mn-дефиците значительно снижается
содержание хлорофилла в листьях, содержание липидов в хлороп-
ластах таких листьев также понижено. Нарушения фотосинтеза
сопровождаются резким уменьшением содержания углеводов в
растениях, особенно в корнях. Недостаток углеводов
рассматривают в качестве ключевого фактора, ограничивающего рост
корневых систем в условиях Mn-дефицита. Несмотря на активацию
Мп2+ РНК-полимеразы, содержание белка в растениях мало
изменяется при недостатке марганца, вместе с тем содержание
растворимых форм азота увеличивается.
При визуальной оценке главными симптомами дефицита
марганца у двудольных служат: межжилковый хлороз, а у трав
зеленовато-серые пятна на базальных листьях (серая пятнистость).
Листья приобретают светло-зеленый, бело-зеленый, красный или
серый оттенок. Наблюдается задержка роста, но верхушечные точки
роста не отмирают. У картофеля на обратной стороне пораженных
листьев нет некротичных точек. У свеклы столовой листья
приобретают темно-красный цвет, пораженные участки буреют и
отмирают. У плодовых культур кроме межжилкового хлороза
наблюдается слабая облиственность деревьев, ранний листопад,
особенно верхних ярусов.
ЦИНК
ФОРМЫ И ФУНКЦИИ
Одними из первых доказали необходимость цинка для высших
растений А. Зоммер и С. Липман (1926). В растениях цинк
находится только в двухвалентной форме, поэтому он не может
участвовать в окислительно-восстановительных реакциях. В ксилеме
может встречаться в виде свободного двухвалентного катиона Zn2+
85
Н20 (Тис)
(Acnj (Глугл
а б
Рис. 3. 13. Структура связей цинка в ферментах при выполнении
каталитической (а) и структурной (б) функции [по: Coleman, 1992].
Объяснения в тексте.
или в составе комплексов с органическими соединениями. Во
флоэме, характеризующейся более высокими концентрациями
органических соединений и значениями рН, большая часть цинка
связана в комплексы. Мобильность во флоэме соединений цинка
выше, чем марганца. Метаболические функции цинка основаны
на его способности формировать комплексные соединения с N-,
О- и S-лигандами. Цинк входит в состав многих ферментов в
качестве интегрального компонента, выполняя при этом
каталитическую или структурную функции. В ферментах, где цинк
выполняет каталитическую функцию (карбоангидраза, карбоксипегтщдаза),
этот металл координируется четырьмя лигандами (рис. 3.13, а). Три
лиганда представлены аминокислотными остатками (гистидин, глу-
тамин, аспарагин), а четвертый молекулой воды. В ферментах, где
цинк выполняет структурную функцию (алкогольдегидрогеназа, щ
Zn-белки, включенные в репликацию ДНК и экспрессию генов),
атомы цинка координированы S-группами четырех остатков цис-
теина (рис. 3. 13, б).
Карбоангидраза. У двудольных состоит из шести субъединиц,
каждая из них содержит по одному атому цинка. Молекулярная
масса фермента — 180 кД. Карбоангидраза содержится в хлороп-
ластах и цитоплазме, катализирует реакцию
со2+ н2о = нсо3~+ н+.
Фермент играет важную роль в фотосинтезе, регулируя
концентрацию С02 в клетке, и тесно связан с работой РБФ- и ФЕП-
карбоксилаз. Обычно наблюдается прямая связь между
активностью карбоангидразы, интенсивностью фотосинтеза и
обеспеченностью растений цинком.
86
Супероксиддисмутаза. Этот изофермент СОД (CuZnCOfl)
молекулярной массой ~ 32 кД, по-видимому, содержит по одному
атому меди и цинка, соединенных через общий азот гистидина. При
этом медь выполняет каталитическую, а цинк структурную
функцию. Участвует в детоксикации супероксидного анион-радикала.
Энзим локализован в цитоплазме, митохондриях, глиоксисомах,
может также находиться в хлоропластах вместе с реСОД.
Алкогольдегидрогеназа. Содержит два атома цинка на молекулу
фермента, один из них выполняет каталитическую функцию, а
другой структурную. Фермент катализирует восстановление аце-
тальдегида до этанола:
ср2 надн над+
у \/
Пируват —*^~► Ацетальдегид ^ » Этанол.
В аэробных условиях образование этанола происходит
главным образом в меристемах. Анаэробные условия в сочетании с
Zn-снабжением стимулируют активность фермента,
локализованного в корнях.
К цинксодержащим ферментам относятся также щелочная фос-
фатаза, фосфолипаза, РНК-полимераза. В состав двух первых
энзимов входят по три атома цинка, по крайней мере один из них
обладает каталитической функцией. РНК-полимераза содержит по
два атома цинка на молекулу.
Цинк активирует множество ферментов: дегидрогеназы, альдо-
лазы, изомеразы, трансфосфорилазы. Например, этот фермент
необходим для активации двух ключевых ферментов углеводного
обмена — фруктозо-1,6-дифосфатазы и алъдолазы. Оба фермента
локализованы в хлоропластах и цитоплазме. Фруктозо-1,6-дифос-
фатаза регулирует превращение С6-сахаров в хлоропластах и
цитоплазме, а альдолаза — перемещение Сз~фотосинтатов из хлороп-
ластов в цитоплазму и трансформацию метаболитов в цитоплазме
гликолитическим путем.
Важным компонентом протонной помпы в тонопласте являются
неорганические пирофосфатазы (ПФазы). Кроме хорошо
известной Mg-зависимой пирофосфатазы (Mg-ПФазы) в листьях
существует изозим, активируемый цинком (Zn-ПФаза). У риса
отношение М^-ПФаза/гп-ПФаза варьирует от 3 до 6.
87
Цинк также тесно связан с белковым синтезом. Этот металл
является структурным компонентом рибосом. В отсутствие данного
элемента наблюдается структурная дезинтеграция рибосом. В
меристемах побегов риса дезинтеграция SOS-рибосом происходит,
когда содержание цинка становится ниже 100, а в тканях табака ниже
70 мкг/г сухой массы. Влияние цинка на белковый синтез может
также осуществляться через регуляцию активности РНКазы,
которая существенно возрастает в условиях Zn-дефицита. Причем
повышение активности этого фермента может опережать появление
у растений симптомов недостатка цинка.
Цинк связан с метаболизмом ауксинов: в условиях дефицита
цинка в тканях растений уменьшается уровень индолилуксусной
кислоты (ИУК). Снижение содержания ИУК может быть обус-
Образование 02¥
(усиливается
при Zn-дефиците)
(-Zn)
- 02
сод
(+Zn)
Усиление
окислительных процессов
Детоксикация (V
(ослабляется
при Zn-дефиците)
НА
Каталаза,
аскорбатпероксидаза
(+2ЭД
н2о
Пероксидация Окислительная
липидов деградация
ИУК
Повышение
проницаемости
мембран
Хлороз,
некроз
Подавление
роста побега
Рис. 3. 14. Участие цинка в генерации и детоксикации супероксидных
радикалов и влияние свободных радикалов кислорода
на функционирование мембран и метаболизм индолилуксусной кислоты
[no: Marschner, 1997; воспроизведено с любезного разрешения
Academic Press Limited]
ловлено как нарушениями ее синтеза, так и деградацией ИУК.
Предшественником ИУК выступает триптофан. Однако сведения
о необходимости цинка для его синтеза противоречивы.
Отмечены факты как увеличения, так и уменьшения содержания
триптофана в условиях Zn-стресса. Низкая концентрация ИУК в
тканях при дефиците цинка, скорее всего, обусловлена
окислительной деградацией ауксинов, происходящей по приведенной схеме
(рис. 3. 14).
Цинк — структурный компонент биологических мембран,
играет важную роль в их интеграции. Этот элемент может
связываться фосфолипидами и сульфгидрильными группами мембран,
формировать тетраэдрические комплексы с цистеиновыми
остатками полипептидных цепей и тем самым защищать липиды и
белки от окислительной деструкции. Повышение проницаемости
мембран рассматривается как типичный признак Zn-дефицита
у растений.
В последнее время идентифицирован новый класс Zn-белков,
участвующих в ДНК-репликации, транскрипции и,
следовательно, в экспрессии генов. Цинк этих белков задействован в
образовании тетраэдрических комплексов с аминокислотными
остатками полипептидной цепи. В результате полипептидная цепь
формирует петлю, состоящую обычно из 11—13 аминокислотных
остатков, которые связываются со специфическими
последовательностями ДНК. Таким образом, Zn-белки напрямую вовлечены в
активацию или репрессию элементов ДНК.
СОДЕРЖАНИЕ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ
Содержание цинка, как и других элементов питания, сильно
зависит от условий среды и генотипических особенностей
растений. Концентрация цинка в растениях обычно колеблется в
диапазоне 1—80 мг/кг сухой массы. Высокое содержание цинка
свойственно лишайникам и хвойным растениям. Из органов растений
повышенным содержанием цинка отличаются листья,
генеративные органы и точки роста. В отличие от содержания марганца, а
также магния и кальция, концентрация цинка в меристемах
листьев в пять—десять раз выше, чем в листовой пластинке зрелых
листьев.
89
ДЕФИЦИТ ЦИНКА
Соответствующие симптомы проявляются в основном у
растений, произрастающих на кислых почвах, подверженных
сильному выветриванию, а также на переизвесткованных и
карбонатных почвах. В последнем случае низкая доступность цинка
обусловлена, в первую очередь, сильной адсорбцией цинка
глинистыми минералами и карбонатом кальция, а не
образованием Zn(OH)2 или ZnC03 при повышенных значениях рН,
характерных для карбонатных почв. Недостаток цинка может
усугубляться внесением фосфорных удобрений. Симптомы дефицита
наблюдаются, если содержание цинка не превышает 15 пмоль
на сухую массу (табл. 3. 4).
Обнаружена тесная прямая связь между обеспеченностью
цинком, фотосинтетической ассимиляцией С02 и ростом растений.
Фотосинтез нарушается сильнее у С4-растений по сравнению с С3-
растениями. Различия обусловлены тем, что у С3-растений
основным субстратом для РБФ-карбоксилазы служит С02, а у С4-рас-
тений субстрат для ФЕП-карбоксилазы — НС03~. Образование
бикарбоната катализирует Zn-содержащий фермент карбоангидраза.
Из ферментов углеводного метаболизма к недостатку цинка
наиболее чувствительна карбоангидраза, затем фруктозо-1,6-дифосфа-
таза, а ФЕП-карбоксилаза и РБФ-карбоксилаза чувствительны в
меньшей степени. Несмотря на подавление активности этих
ферментов и фотосинтеза, в растениях могут накапливаться сахара и
крахмал, особенно при повышенной интенсивности освещения.
Аккумуляцию углеводов объясняют сильной депрессией роста
растений, главным образом апексов побегов. Подавление роста
Таблица 3. 4
Концентрация цинка в органах растений разных видов,
мг/кг сухой массы [по: ВоеЫе, Lindsay, 1969]
Объект
Листья яблони
Литья лимона
Верхушки люцерны
Листья кукурузы
Верхушки сои
Листья томата
Дефицит
0-15
0-15
0-15
0-10
0-10
0-10
Низкая
16-20
16-25
16-20
11-20
11-20
11-20
Достаточная
21-50
26-80
21-70
21-70
21-70
21-120
Высокая
>51
81-200
>71
71-150
71-150
>120
90
растений при недостатке цинка сопровождается снижением
уровня ИУК в тканях. В условиях недостатка цинка сильно
подавлена активность альдолазы. Этот показатель рекомендуют
использовать в качестве индикатора для оценки обеспеченности
растений цинком.
Для растений характерны низкая скорость белкового синтеза и
пониженное содержание белка на фоне повышенного накопления
аминокислот. Причем увеличение активности РНКазы
наблюдают раньше, чем другие симптомы Zn-дефицита: нарушения роста
или анатомии листа. Для поддержания белкового синтеза в
меристемах содержание цинка в них не должно быть ниже 100 мкг/г
сухой массы.
Повышенная пассивная проницаемость мембран — типичный
признак недостатка цинка, свидетельствует о важной роли
этого элемента в мембранной интеграции. Пониженное
содержание в мембранах фосфолипидов и полиненасыщенных кислот
сопровождается усиленным выходом из клеток
низкомолекулярных веществ. Высокая проницаемость мембран может приводить
к накоплению в растениях фосфора, а также хлоридов и бора
до токсичного уровня.
Характерные внешние признаки недостатка цинка:
заторможенный рост, короткие междоузлия, маленькая поверхность листа.
Рост побега обычно подавляется больше, чем рост корней. Эти
симптомы могут комбинироваться с признаками хлороза и
проявляются резче при высокой интенсивности освещения.
Симптомы хлороза или некроза старых листьев обычно вторичного
происхождения, обусловлены токсичностью фосфора или бора.
У двудольных симптомы Zn-дефицита сходны с признаками
вирусной инфекции. При недостатке цинка урожай семян
снижается больше, чем вегетативных органов. У картофеля на
верхних и средних, а иногда и на нижних листьях появляется
серовато-бурый, бронзовый оттенок. Листья становятся узкими с
завернутыми внутрь краями. Клубни мелкие. У бобовых
культур появляется крапчатость листьев. Особенно чувствительна к
недостатку цинка фасоль. У плодовых и цитрусовых
тормозится рост побегов, на их апексах образуются розетки мелких
узких листьев (розеточность). На остальных частях побегов нет
листьев, либо они крапчатые. Ветвление многолетних побегов
91
слабое, поэтому крона становится редкой. Плоды приобретают
уродливые формы и нетипичную окраску. Плоды цитрусовых
толстокожие с сухой мякотью, преждевременно опадают. У
винограда хлоротичные листья, ягоды в гроздях мелкие и
деформированные. Кукуруза, хлопок, яблоня более чувствительны к
недостатку цинка, чем пшеница, овес, горох.
МЕДЬ
ФОРМЫ И ФУНКЦИИ
Считается, что первым обосновал необходимость меди для
высших растений А. Зоммер (1931). По биохимическим свойствам
и функциям медь сходна с железом, способна образовывать
стабильные комплексы и изменять валентность (Cu2+<->Cu+).
Одновалентная медь, в отличие от двухвалентной, нестабильна.
Вопрос о том, в какой форме медь поступает в растение: Си (II) или
Си (III), в настоящее время дискутируется (см. 3. 1). В растениях
до 98—99 % меди содержится в виде комплексных форм,
концентрация свободных Си2+ и Си+ предельно низкая. Медь
характеризуется большим сродством к аминокислотам, чем к органическим
кислотам, и средней мобильностью во флоэме.
Большинство функций меди как микроэлемента связано с ее
участием в ферментативных окислительно-восстановительных
реакциях. Ниже приведены важнейшие Си-ферменты.
Пластоцианин. Голубой белок молекулярной массой около 10 кД,
содержащий по одному атому меди на каждую молекулу. Участвует
в переносе электрона от ФС II к ФС I. В связи с этим в условиях
Cu-дефицита активность ФС I снижается значительно больше, чем
ФС II. Как правило, на 1000 молекул хлорофилла приходится три-
четыре молекулы пластоцианина. Свыше 50 % меди,
локализованной в хлоропластах, связано с пластоцианином.
Цитохромоксидаза. Представляет собой оксидазу митохонд-
риальной ЭТЦ, содержит два атома меди и два атома железа в
гемовой конфигурации (см. 3. 2). Атомы меди, в отличие от
атомов железа, непосредственно взаимодействуют с молекулой
кислорода. В условиях недостатка меди активность фермента
снижается.
92
Полифенолоксидаза. Катализирует перенос электронов от ряда
фенолов (гидрохинон, пирокатехин, пирогаллол) на молекулярный
кислород:
ОН
АН2+| +02-А+|Т + Н20,
U
Монофенол Дифенол
ОН
.он
ВН2 + I + 02 - В +
Дифенол о-Хинон
Фермент включен в биосинтез лигнина, алколоидов,
меланинов, иногда формирующихся при ранении растительных тканей
(яблоки, клубни картофеля). Эти вещества способны ингибировать
прорастание спор и рост грибов. В условиях недостатка меди
активность фермента коррелирует с аккумуляцией в растениях
фенолов и меланиновых веществ. При нормальном снабжении медью
споры Aspergillus niger черного цвета, при незначительном
дефиците — светло-коричневого, а при полном дефиците — белого.
Снижение полифенолоксидазной активности, обусловленное недостатком
меди, отмечается как одна из причин нарушений цветения растений.
Супероксиддисмутаза. Изофермент СОД (Си2пСОД) с
молекулярной массой около 32 кД, содержит по одному атому меди и
цинка, соединенных общим азотом гиствдина. Играет важную роль
в детоксикации супероксидного радикала (02т). Атом меди
непосредственно участвует в детоксикации О/, образуемого в процессе
фотосинтеза. Изофермент локализован в цитозоле,
митохондриях, глиоксисомах, может наряду с РеСОД (см. 3. 2) находиться в
хлоропластах. В условиях Cu-дефицита снижение активности
Оь&пСОД, локализованной в хлоропластах и цитозоле,
сопровождается повышением активности МпСОД. Поскольку МпСОД
встречается исключительно в цитоплазме, увеличение ее активности
рассматривают как фактор, компенсирующий недостаточное
образование изоэнзимов СОД при дефиците меди.
93
Аскорбатоксидаза Катализирует окисление аскорбиновой
кислоты до дегидроаскорбиновой:
о2
но-с-н но-с-н
I I
СН2ОН СН2ОН
Аскорбиновая Дегидроаскорбиновая
кислота кислота
Содержит около пяти атомов меди на молекулу. Локализована
в клеточных стенках и цитоплазме. Может работать как
терминальная дыхательная оксидаза или в комбинации с полифенолоксида-
зой, используя в качестве акцептора электронов 02. При недостатке
меди активность фермента снижается и потому используется как
показатель для оценки обеспеченности растений медью.
Диаминоксидаза. Катализирует деградацию путресцина
(диамин). Фермент локализован главным образом в апопласте
эпидермиса и ксилемы зрелых растительных тканей. Функционирование
фермента сопровождается высвобождением Н202 — субстрата пе-
роксидазы в процессах лигнификации и суберинизации. В
условиях Cu-дефицита активность энзима снижается.
СОДЕРЖАНИЕ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ
Высшие растения характеризуются относительно невысоким
содержанием меди, в среднем от 1 до 20 мг/кг сухого вещества.
Концентрация меди в соках ксилемы и флоэмы колеблется от
следовой до 140 мкмоль/л. Содержание меди повышено в
листьях, где свыше 60 % этого металла сосредоточено в хлоропластах.
В корнях медь в основном связана с клеточными стенками и
чрезвычайно малоподвижна. Меди довольно много в репродуктивных
органах растений, в частности в семенах (см. гл. 4).
ДЕФИЦИТ МЕДИ
Обычно проявляется у растений на кислых песчаных и
торфянистых почвах. Критический уровень дефицита меди в вегетатив-
94
ных частях растений составляет 1—5 мг/кг сухой массы.
Типичные анатомические изменения, индуцированные Си-дефицитом,
связаны с нарушениями лигнификации клеточных стенок. В
наибольшей степени эти изменения проявляются в склеренхиме (кле-
то^стебля. Недостаточная лигнификация сосудов ксилемы,
обусловленная подавлением активности полифенолоксидаз,
проявляется даже при незначительном дефиците меди. Этот показатель
рекомендуют использовать в целях растительной диагностики.
При недостатке меди снижается активность ключевых
ферментов, участвующих в процессах фотосинтеза и дыхания. Низкое
содержание пластоцианина у растений обусловливает
значительно большее уменьшение активности ФС I по сравнению с ФС П.
При строгом дефиците меди в ФС II изменяются состав
полипептидов и состав липидов — в пользу образования ненасыщенных
жирных кислот. Нарушения фотосинтеза сопровождаются
снижением в растениях уровня растворимых углеводов. При низком
содержании углеводов нарушается формирование пыльцы, т. е.
возникает фертильность; у бобовых, кроме того, подавляется N2-
фиксация. Недостаток меди влияет на формирование семян и
зерен больше, чем на рост вегетативной массы. Иными словами, для
нормального образования генеративных органов необходимы
более высокие дозы меди, чем для формирования вегетативных
частей растений. Критическая стадия — микроспорогенез.
В целом вызванные недостатком меди нарушения в
фотосинтезе и дыхании отражаются на энергетическом обмене растений,
что может вызвать каскад вторичных физиологических эффектов.
Дефицит меди отрицательно сказывается на активности CuZnCQfl.
Однако у растений, например у культурной ряски,
чувствительность этого фермента к дефициту меди меньше, чем к дефициту
цинка.
К типичным визуальным признакам дефицита меди у растений
относятся заторможенный рост, искривление и бледная окраска
молодых листьев, некроз апикальных меристем. Наиболее ярко
признаки дефицита проявляются у чувствительных к недостатку
меди культур (пшеница, ячмень, овес, подсолнечник, лен,
шпинат, яблоня, слива, груша, цитрусовые). У злаков заторможен рост,
растения светло-зеленые, верхние листья сухие, скрученные.
Колосья и метелки недоразвиты, цветки стерильны. При остром
дефиците колосья и метелки не развиваются вовсе. У подсолнечника
95
образуется мелкое, искривленное соцветие, листья верхнего яруса
бледные. У льна наблюдаются укороченные междоузлия, розеточ-
ность листьев, склонность к полеганию. Из плодовых
индикатором на недостаток меди выступает слива. У этой культуры
молодые листья в условиях недостатка меди желтеют, наблюдается
ранний листопад, кора растрескивается, образуются натеки
камеди, плодоношение слабое. У яблони увядают кончики побегов,
образуются пучки новых побегов («ведьмины метлы»), рано
опадают верхние листья. Цитрусовые при остром дефиците меди
практически не плодоносят, при умеренном недостатке
проявляются симптомы, характерные для сливы и яблони. Более
устойчивы к недостатку меди горох, рожь, рапс.
МОЛИБДЕН
ФОРМЫ И ФУНКЦИИ
Д. Арнон и П. Стоут (1939) одними из первых открыли
необходимость молибдена для высших растений. Основные
биохимические функции молибдена связаны с его способностью изменять
валентность и участвовать в реакциях комплексообразования. В
растениях молибден существует как Мо (VI)—Мо (IV).
Транспортные формы молибдена практически не изучены, вероятнее всего,
он транспортируется в виде аниона Мо042~. Молибден обладает
средней подвижностью во флоэме.
У высших растений насчитывается несколько ферментов,
содержащих молибден в качестве кофактора: нитратредуктаза, нитро-
геназа, ксантиноксидаза/дегидрогеназа, алъдегидоксидаза и,
возможно, сулъфитоксидаза. В этих энзимах молибден выполняет
каталитическую и структурную функции. У нитратредуктазы и других
Mo-ферментов (кроме нитрогеназы) молибдокофакторы (Мосо),
Мо-птерины, идентичны. Это каталитические центры многих
ферментов, играющих важную роль в жизни бактерий, водорослей,
грибов, растений и животных.
К настоящему времени идентифицировано более двадцати Мо-
содержащих ферментов: гидролаз, оксидоредуктаз и дегидрогеназ,
катализирующих превращения соединений азота, углерода и
серы. По своей структуре Мосо — молибдоптерин. В
координации Мо (VI) участвует птериновое кольцо, т. е. 6-замещенный
96
птерин с четырехуглеродной боковой цепью, содержащей дити-
ольную, гидроксильную и фосфатную группы (рис. 3. 15). В клетке
выделяют три фракции Мосо: 1) свободная или элементарная
форма, 2) связанная с белковым фрагментом фермента, 3)
связанная с белком фермента. Элементарный Мосо активен в
препаратах, не прошедших кислотную и термическую обработку в
присутствии протекторов и избытка молибдата. В свежевыделенных
препаратах ксантинокисдазы содержание элементарного Мосо не
превышает 2—3%, в то время как после 3—4 суток хранения оно
может многократно увеличиваться.
Основная функция Мосо в ферментах — каталитическая.
Элементарному молибдокофактору присуща собственная нитратредук-
тазная активность. Кроме того, Мосо выполняет структурную
функцию, а именно объединяет отдельные субъединицы
фермента в олигомерный комплекс. Причем структурная роль Мосо
проявляется независимо от выполнения им каталитических функций.
Вероятно, функциональные группы кофактора, участвующие в
самосборке фермента, отличаются от групп, обладающих
каталитической активностью. Связь элементарного Мосо с белком
ферментов осуществляется через аминокислотные остатки. Поэтому при
отделении кофактора от белка в препаратах Мосо обнаруживается
пептидный компонент, который включает аспарагиновую
кислоту, серии, глутаминовую кислоту, глицерин, аланин, валин и др.
В олигомерном комплексе Mo-ферментов Мосо связан с
определенным белковым фрагментом, молекулярная масса которого
существенно меньше, чем масса всего фермента. Эту фракцию
Мосо рассматривают как элементарную белоксодержащую ячейку
Mo-фермента, которая более стабильна, чем нативный фермент или
свободный кофактор. Молибдокофактор, связанный с белковым
фрагментом, также обладает каталитической активностью,
например нитратредуктазной. Причем эта активность выше, чем у
элементарного кофактора, но ниже, чем у нативного фермента.
С молекулой белка фермента Мосо связан нековалентно. Эти
связи являются гидрофобными и чувствительными к кислороду,
они разрушаются при сравнительно слабых внешних воздействиях.
Поэтому Mo-фермент относительно легко разрушается, что
сопровождается в первую очередь диссоциацией молибдена. Столь же
легко Мосо присоединяется к белку. По-видимому, непрочность
связи молибдокофакгора с белком фермента закреплена эволюционно
97
I I
II
-,3-Z 2-Я
ii I
o-
О
Он
О
Я-О-Я
* Л ~
о-у-я
ел О^
о \
«3
CQ
О
CQ
О
а
о
О ел
Ом ч-<
О 5
Я
и о
о н
я &
о
I
>-\
я-zz
v<
о~
а.
О
Я
и
X
о
я
яи
сл-
я
«л-О Я~
^Я
S-ZJZ-SC
-а
й
Я
i +
о
Он
О
я-о~я
Я I
5-у-я
О-^ II
Т^сл-U
о >-л
K-Z Z-E
•е-
§
О
§
S
я
S
§
5
£
98
и обусловлена участием Мосо в работе нескольких ферментов. У
разных ферментов прочность связи Мосо с апобелком варьирует.
Так, с белком ксантиноксидазы Мосо связан прочнее, чем с
белком нитратредуктазы. В глубине белковой глобулы Мосо
устойчив к окислению и сохраняет активность даже после инактивации
фермента.
Молибдокофактор нитрогеназы (FeMoco) имеет рад
особенностей. Это нерастворимое в воде вещество коричневого цвета,
содержащее кроме молибдена шесть—восемь атомов негемового
железа и четыре—девять атомов кислотолабильной серы. При этом
железо и сера ассоциированы в кластер, отличающийся по
составу от Fe4S4-KFiacTepoB в молекуле Мо—Fe-белка.
Молибдокофактор нитрогеназы выполняет каталитическую и структурную
функции. Каталитическая функция подробно описана выше (см. 3. 2).
Структурная функция FeMoco заключается в объединении
мономеров Мо—Fe-белка в димеры. Для биосинтеза FeMoco
необходим Fe-белок, а не Мо—Fe-белок нитрогеназы.
По электронной конфигурации Мо (VI) сходен с ванадием и
особенно с вольфрамом. Функции последнего в ферментах
примитивных организмов сопоставимы с функциями молибдена в
высших организмах. Кроме того, в ферментах оба элемента (Мо
и W) могут связываться одним и тем же лигандом. Возможно, в
ходе эволюции жизненных форм возрастание значения
молибдена и снижение важности вольфрама происходило вследствие
специфики физико-химических свойств этих элементов и смены
условий среды обитания организмов. В анаэробных условиях
вольфрам был более доступен организмам, чем молибден, так как
вольфрамовые соединения лучше растворяются в сульфидной
среде. В аэрируемых растворах, напротив, вольфрам формирует
W(OH)6 — соединение, осаждающееся в слабокислой среде, в то
время как анион Мо042~ остается в растворе. По этим причинам
вольфрам в высших растениях не несет какой-либо важной
физиологической нагрузки и не рассматривается как необходимый
микроэлемент.
Замещение молибдена на вольфрам в молекуле
нитратредуктазы, с одной стороны, подавляет в несколько раз активность этого
фермента, с другой —увеличивает его количество. Вероятно,
вольфрам инактивирует HP, но при этом индуцирует экспрессию
структурных генов нитратредуктазы, которая подавлена у растений,
99
обеспеченных молибденом и характеризующихся интенсивным
восстановлением окисленных форм азота. Возможно, что
различия биологической активности молибдена и вольфрама
обусловлены большей легкостью восстановления соединений Мо (VI).
Кроме нитрогеназы, содержащей молибден, выявлена
альтернативная ванадиевая нитрогеназа (V-нитрогеназа). Ее существование
доказано методами генной инженерии на примере штаммов двух
видов азотобактера (A. vinelandii, A. chroococcum), которые лишены
структурных генов, ответственных за синтез Mo-содержащей
нитрогеназы. Синтез этими видами V-нитрогеназы происходит в
условиях дефицита молибдена и обеспеченности ванадием. V-нитрогеназа,
как и Мо-нитрогеназа, состоит из двух компонентов — V—Fe-белка
и Fe-белка. Уникальна способность V-нитрогеназы восстанавливать
в ограниченных количествах ацетилен до этана.
Основная информация о таких Mo-ферментах как нитратредук-
таза, нитрогеназа и ксантиноксидаза/дегидрогеназа приведена
выше (см. 3. 2). Дополнительно отметим, что в связи с участием
молибдена в восстановлении NG3~ наибольшую потребность в этом
микроэлементе испытывают растения, выращиваемые на
нитратном, а не на аммонийном фоне. Этот вывод основан на
результатах экспериментов, проведенных в стерильных условиях.
Потребность в молибдене повышена у бобовых растений и у небобовых,
способных к Ы2-фиксации. Так, молибденовые удобрения
повышают содержание азота в листьях и урожай семян только у растений
сои, зараженных клубеньковыми бактериями в условиях дефицита
азота. Однако у бобовых в присутствии нитратов активность
нитрогеназы может быть подавлена, что объясняют перехватом потока
электронов и АТФ нитратредуктазой, содержащейся в бактероидах
клубеньков. Отметим, что такая точка зрения разделяется не
всеми авторами. В клетках азотфиксаторов и бактероидах клубеньков
эти ферменты конкурируют за молибден. У желтого люпина
максимальная конкуренция проявляется в фазе бутонизации, когда
синтез нитратредуктазы в листьях и нитрогеназы в клубеньках
наиболее активен. При недостатке в среде молибдена нитрогеназа
перехватывает этот элемент, что сопровождается значительным
уменьшением активности нитратредуктазы. При выращивании
бобовых на нитратном фоне конкуренция ферментов за молибден
усиливается, а при достаточном снабжении растений молибденом
ослабляется.
100
Молибден необходим бобовым и для нормальной работы ксан-
тиноксидазы/дегадрогиназы. Этот фермент катализирует
метаболизм пуринов и контролирует формирование уреидов.
Альдегидоксидаза. Фермент, ответственный за последнюю
стадию синтеза абсцизовой кислоты, а именно окисление абсцизо-
вого альдегида до абсцизовой кислоты (АБК). Фермент имеет
молекулярную массу около 300 кД, содержит в качестве
простатических групп Мосо, железо и ФАД. В условиях стресса (засоление,
засуха и др.) или в отсутствие нитрата Мосо преимущественно
приурочен к альдегидоксидазе. В результате проявляется
универсальная реакция растений на стресс: накопление в растительных
тканях АБК и торможение роста.
Сульфитоксидаза. Фермент хорошо изучен у микроорганизмов,
катализирует окисление сульфита (S032~) до сульфата (S042~). Эта
реакция может также осуществляться с участием других
ферментов, например пероксидаз и цитохромоксидазы, а также ионов
многих металлов и супероксидных радикалов. Вместе с тем до сих
пор не ясно, включена ли специфичная сульфитоксидаза в
окисление сульфита в высших растениях.
Принято считать, что в составе ферментов молибден
находится в состоянии Мо (VI) и Мо (V). Не исключают, однако, и более
низких степеней окисления молибдена (III, IV). В активных
центрах ферментов молибден может координироваться гидроксильны-
ми и карбоксильными группами аминокислот, серой цистеина и
гистидина, флавиновыми коэнзимами и субстратами. После
исследования ксантиноксидазы методом ЭПР установлено, что
вероятными лигандами молибдена в этом ферменте могут быть атомы
серы и кислорода (но не азота). Функции молибдена состоят в
транспорте электронов. Способность молибдена образовывать
комплексы оказывает влияние на физико-химические свойства
многих соединений растительной клетки. Молибден способствует
стабилизации вторичной структуры нуклеиновых кислот Он
понижает гидратацию нуклеиновых кислот, образуя комплексы с
функциональными группами, которые служат гидратационными
центрами. Стабилизация структуры нуклеиновых кислот и
изменение их конформации под влиянием полимеров, образуемых
Мо (VI), приводит к блокированию действия ДНК- и РНКазы.
Интерпретация связей, образуемых молибдатом с нуклеиновыми
кислотами, затруднена. Предполагают, однако, что эти связи типа
101
водородных. В образовании координационных связей с молибденом
участвуют и молекулы белка. При этом изменяется распределение
электронов и объединяются электронные орбиты белка и
молибдена. Такое комплексообразование происходит с переносом заряда.
В результате может изменяться конформация и каталитическая
активность ферментов. В живых растительных клетках проявление
молибденом регуляторной функции тесно связано со значением рН
среды, определяющим образование или разрыв координационных
связей молибдена с органическими соединениями.
Молибден способен оказывать антистрессовое действие, в
частности осуществлять криопротекторную функцию. Если в тканях
растений достаточно молибдена, они лучше выживают в период
промораживания и репарация после действия низких температур
протекает быстрее. Под влиянием молибдена в тканях
увеличивается содержание линоленовой кислоты и соответственно
снижается содержание линолевой, что коррелирует с морозостойкостью
растений. Накопление ненасыщенных жирных кислот повышает
лабильность мембран и увеличивает устойчивость клеток к
действию низкой температуры. Механизм антистрессового действия
молибдена связывают с регулированием активности альдегидок-
сидазы и нитратредуктазы. Такая регуляция может
осуществляться при включении молибдокофактора в состав этих ферментов.
СОДЕРЖАНИЕ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ
В растениях содержание молибдена сильно варьирует в
зависимости от их видовых особенностей и почвенно-климатических
факторов. Как правило, в бобовых растениях и небобовых,
способных к Ы2-фиксации, накапливается больше молибдена, чем в
растениях других семейств. До 90 % представителей семейства
бобовых концентрируют этот микроэлемент, и его уровень в
растениях существенно превышает содержание в почве.
Распределение молибдена по органам изменяется в ходе онтогенеза бобовых
(рис. 3. 16). У люпина в течение длительного периода вегетации
молибден накапливается главным образом в стеблях и клубеньках.
Онтогенез люпина, как и других бобовых, заканчивается
накоплением молибдена в семенах. Этот процесс усиливается благодаря
подкормкам молибденовыми удобрениями растений в периоды их
максимальной потребности в этом микроэлементе. У неклубень-
102
I II HI IV V VI VII
Рис. З. 16. Изменение содержания молибдена в различных органах
желтого люпина в онтогенезе [по: Львов, 1989].
Цифры без скобок — содержание молибдена в данном органе, процент
от молибдена всего растения на данной фазе роста; цифры в скобках —
удельное содержание молибдена, мкг/г абсолютно сухой массы.
Фазы роста: I — всходы, II — 4 пары листьев, III — интенсивный рост,
IV — цветение, V — плодообразованис, VI — начало зернообразования,
VII — конец зернобразования. Черным цветом обозначены органы растения,
содержащие более 30 % молибдена растения, штриховкой — 10-30 и белым
цветом — содержащие менее 10 % молибдена растения.
ковых растений основное количество молибдена локализовано
в надземных органах. Так, в листьях хлопчатника содержание
молибдена в несколько раз больше, чем в его стеблях и корнях.
У льна наибольшее количество молибдена обнаружено в стеблях,
а у пшеницы в листьях.
При прочих равных условиях растения, выращиваемые на
кислых почвах, содержат меньше молибдена, чем выращиваемые на
нейтральных. Известкование кислых почв способствует
мобилизации молибдена в почве и увеличению его поступления в
растения, этот процесс у бобовых происходит интенсивнее, чем у
злаковых. Антагонистами молибдена при поглощении выступают
103
вольфрам и сульфаты. Фосфаты могут усиливать поглощение
молибдена корнями растений.
Внесение Mo-удобрений в почву способствует обогащению
этим микроэлементом практически всех компартментов клетки,
но больше всего молибдена накапливается в цитозоле, ядрах и
рибосомах. Молибден также обнаружен в выделенных
препаратах ДНК.
ДЕФИЦИТ МОЛИБДЕНА
Симптомы дефицита прежде всего проявляются у растений,
произрастающих на кислых минеральных почвах с высоким
содержанием гидроксидов железа и марганца. Обострению дефицита
способствует присутствие в почвенном растворе сульфатных
анионов, которые конкурируют с анионами молибдата, в результате
поглощение последних корневыми системами растений
уменьшается. Критический уровень концентрации молибдена в растениях
варьирует в зависимости от их вида и источников азотного
питания в диапазоне 0,1—1 мг/кг сухой массы листьев. В условиях
недостатка молибдена изменяется строение листа, так как
происходит сжатие эпидермиса. Перед появлением визуальных
признаков хлороза в молодых листьях уменьшаются размеры хлоропла-
стов. По мере развития хлороза хлоропласты разбухают за счет зерен
крахмала. Хлоропласты распадаются, превращаясь в диффузную
массу с отрицательной реакцией на белок, липиды и РНК.
Происходит лизис хлоропластов, крахмальные зерна хлоропластов
сморщиваются и растворяются вне этих структур.
Недостаток молибдена в первую очередь негативно отражается
на метаболизме азота и соответственно на росте растений. В
листьях регистрируют низкую активность нитратредуктазы и
повышенный уровень концентрации нитратов. В ряде случаев
прослеживается тесная связь между обеспеченностью растений
молибденом, активностью HP и урожаем, наиболее отчетливая у растений,
возделываемых на нитратном фоне. Зависимость азотного
метаболизма от снабжения молибденом у растений на аммонийном фоне
меньше. Однако в нестерильных условиях почвы происходит
быстрая нитрификация аммонийных форм азота и повышение
потребности растений в обеспеченности молибденом. У бобовых
и небобовых растений, имеющих клубеньки, недостаток молибде-
104
на отрицательно сказывается на фиксации азота, что в основном
обусловлено подавлением активности нитрогеназы.
Некоторые изменения в метаболизме под влиянием Мо-дефи-
цита напрямую не связаны с известными специфическими
функциями молибдена. Например, при недостатке этого элемента в
растениях накапливаются органические кислоты и аминокислоты,
активность рибонуклеазы высокая, содержание РНК и ДНК
низкое. При дефиците молибдена растения чувствительны к низкой
температуре и недостатку воды. У таких растений наблюдаются
нарушения в формировании пыльцы, которая характеризуется
низкой инвертазной активностью, плохим прорастанием.
Внешние признаки недостатка молибдена у растений имеют
много общего с симптомами дефицита азота. У многих растений
симптомы Mo-дефицита начинаются с образования бледных
пятен между жилками листа, обычно возле центра или основания
молодых листьев. В пораженных участках тканей появляются
многочисленные перфорации. Позднее пораженные хлорозом и
некрозом участки располагаются вдоль края нижней части
молодых листьев, в результате по периферии листьев образуются
неровности и разрывы. Пятнистость сопровождается увяданием краев
листьев (капуста) или закручиванием листовых пластинок (томат,
картофель). Виды рода Brassica характеризуются специфическим
симптомом недостатка молибдена — нитевидностью (кнутовидно-
стью) листьев: удлинение молодых листьев происходит быстрее
развития их пластинок. Болезнь широко распространена в
различных странах, особенно у растений на кислых почвах. Недостаток
молибдена также негативно сказывается и на формировании
цветков. У томатов цветки становятся мелкими, почти сидячими на
стебле и теряют способность раскрываться. У цветной капусты
соцветия деформируются и делаются рыхлыми. У бобовых при
недостатке молибдена нарушается образование клубеньков на корнях.
БОР
ФОРМЫ И ФУНКЦИИ
К. Уоринггон (1923) одним из первых доказал необходимость
бора для высших растений. В них бор находится в форме
мономеров: В(ОН)3, В(ОН)4~, или комплексов с органическими струк-
105
турами. Растения содержат как водорастворимые, так и не
растворимые в воде формы бора. Например, усиление питания бобов и
кукурузы бором ведет к увеличению содержания фракции
водорастворимого бора и не влияет на содержание фракции водонера-
створимого бора.
Физиологические функции бора во многом непонятны. Этот
элемент не относится ни к структурным компонентам, ни к
активаторам ферментов. Вместе с тем бор принимает участие во
многих физиологических и биохимических процессах: в
регуляции роста, метаболизме фенолов, углеводов, ауксинов и
нуклеиновых кислот, транспорте Сахаров, дыхании, в процессах синтеза
и лигнификации клеточных стенок. Недостаток бора ведет к
нарушению функций мембран. До сих пор не подтверждено содержание
бора в значительном количестве в микросомальных мембранах.
Кроме того, нет прямых доказательств участия бора в
процессах, изучаемых с помощью изолированных мембран. Бор не
входит в число элементов, необходимых для нормального
развития клеток животных. В связи с этим нет достаточных
оснований утверждать, что нарушения функционирования мембран
в ответ на недостаток бора являются первичными, а не
вторичными процессами.
Идентификации физиологической роли бора способствуют
исследования, направленные на выяснение локализации и форм
содержания бора в растительной клетке. Водорастворимые формы
бора сосредоточены в апопласте (т. е. в клеточных стенках и
межклеточном пространстве) интактных тканей высших растений.
Несмотря на особенности локализации бора в растительной клетке,
разумеется, нельзя исключить возможности участия этого элемента
в метаболических реакциях симпласта. В клеточных стенках бор
представлен в виде комплексных соединений. Борная кислота
обладает хорошо выраженной способностью образовывать
комплексы с диоловыми группами, расположенными в цис-позиции
(рис. 3.17). Все представленные реакции обратимы. Направление
реакции зависит от рН раствора и стереохимии диола. С
помощью ЯМР-спектроскопии установлено, что в листьях красной
свеклы при рН 5,5 клеточного сока бор находится в виде
борной кислоты и комплексов с диолами. При доведении рН
клеточного сока до 7,5 почти весь бор оказывается в комплексе с
растворимым лигандом.
106
В(ОН)3 + ОН" -
нв
НОч /ОН НО-С-
хвг + I г
ио/ чон но-с-
в
I
D
в(он>;
в~
С-Оч /ОН
в;
4
I
-с-о7 чон
BD"
(1)
+ 2Н90 (2)
-ООН НОч уОН НО-С-
+
-с-он но7 чон но-с-
в~
I
2D
-с-оч уо-с-
I в7 I
-с-о/ Ч)-с-
+ 4Н20 (3)
bd;
Рис. 3. 17. Превращения (1) борной кислоты (НВ) и боратных анионов (В ),
взаимодействие (2, 3) бората с дигидроксильными группами (D)
[по: Matoh, Kobayashi, 1998]
К соединениям с цис-расположением гидроксильных групп
относятся сахара и их дериваты, особенно маннитол, маннан и
полиманнануроновая кислота. Они входят в состав гемицеллюлоз
клеточных стенок. Некоторые о-дифенолы (кофейная кислота) и
гидроксиферуловая кислота, важный предшественник лигнина,
также формируют устойчивые комплексы с борной кислотой.
Напротив, глюкоза, фруктоза, галактоза и сахароза не имеют цис-
конфигурации диоловых групп и поэтому не образуют
стабильных боратных комплексов.
В растительной клетке бор связывают в основном пектиновые
полисахариды. Причем В-содержащие клеточные полисахариды
могут растворяться при гидролизе клеточных стенок под действием
пектиназ. До 80 % бора клеточных стенок (корни редиса) связано
в В-полисахаридный комплекс с углеводным компонентом рам-
ногалактуроном II (RG II). В этом комплексе бор связывается
крест-накрест двумя идентичными полисахаридными цепями
мономеров рамногалактурона II посредством В-диол-эфирных
связей. Такой характер связей бора подтвержден на различных объектах
(культура клеток сикиморы, побеги гороха и бамбука, главный
корень свеклы, красное вино). Молекулярная масса комплекса
107
составила 9900 Д, содержание бора в комплексе было 0,23 %, 1 моль
комплекса B-RG II содержал 2,1 моль бора. За связывание бора
ответственны апиозные остатки RG И. В мономере последнего
содержатся две апиозные группы. Поэтому один В-полисахарид-
ный комплекс может удерживать 2 моль борной кислоты. Рамно-
галактурон II входит в качестве компонента в длинную цепь
пектиновых полисахаридов. В результате перекрещивания двух
пектиновых цепей в области расположения RG II с двумя молекулами
борной кислоты образуется молекулярная сеть. Комплекс B-RG II
найден в клеточных стенках высших растений 24 видов. У
большинства растений изученных видов основное количество бора
(~ 80 %) в клеточных стенках входит в состав В-полисахаридного
комплекса, в частности его высокомолекулярной фракции. Как
правило RG II не идентифицируется в растениях без бора и
наоборот. Комплекс B-RG II обнаружен в составе пыльцевой трубки,
для роста которой давно доказана необходимость бора. С
помощью иммуноцитохимического анализа обнаружено высокое
содержание В-полисахаридных комплексов в клубеньках корней
бобовых. Исключение составили тыквенные растения некоторых
видов и гречиха, у которых только половина бора, связанного в
клеточной стенке, находится в составе комплекса B-RG II.
Вероятно, бор слабо взаимодействует с другими полисахаридами, кроме
RG II, который чувствителен к действию пектиназы.
Повышенная способность клеточных стенок гречихи связывать
бор может быть объяснена значительным содержанием в них апи-
озы. Отметим, что апиозы относятся к универсальным компонентам
клеточных стенок сосудистых растений. В клеточных стенках апи-
оза входит в состав апиогалактурона, который представлен апио-
зилдисахаридом, присоединенным к главной цепи полигалактуро-
новой кислоты.
Очевидно, высокая потребность в боре двудольных (по
сравнению с однодольными) объясняется высоким содержанием в
клеточных стенках пектинов и полигалактуронов, имеющих цис-
конфигурацию гидроксильных групп. В злаках (пшеница),
например, содержание боратных комплексов в клеточных стенках
корней составляет 3-5, в то время как у двудольных (подсолнечник) —
свыше 30 мкг/г сухой массы.
В составе нативного комплекса B-RG II растений многих
видов обнаружены двухвалентные катионы: Mg2+, Са2+, Si*2*, Ba2+,
108
Pb2+. Извлечение этих катионов хелатором (ЦГДТА) приводит к
экстракции бора и разрушению комплекса. Возможно,
двухвалентные катионы способствуют стабилизации комплекса, формируя
координационные связи. Указанным образом могут
взаимодействовать двухвалентные катионы с ионным радиусом больше 0,11 нм.
Важная роль в стабилизации В-полисахаридных комплексов
принадлежит кальцию, который в клеточных стенках находится
главным образом в зоне локализации RG II. Перекрестное
связывание полисахаридов осуществляется по Са2+-мостикам, фенольным
связям, галактуроновым эфирным концам, борат-диэфирным
связям. Однако селективность пектиновой кислоты к Са2+ меньше, чем
к Sr2+. Тем не менее относительно низкое сродство к Са2+ может
быть компенсировано его высокой концентрацией. Так,
содержание Sr2+ в растениях примерно на три порядка ниже, чем Са2+.
Существенно выше распространенность кальция и в почвах.
Поэтому в настоящее время Са2+ рассматривают в качестве нативного
компонента комплекса B-RG И, усиливающего связь бора с
цепями пектина. В отсутствие бора или кальция не происходит
стабильного перекрестного связывания пектиновых цепей. В
результате разрушается молекулярная пектиновая сеть и
дезинтегрируются клеточные стенки. Следует отметить, что бор необходим для
формирования ультраструктурных компонентов клеточной
стенки. В корнях томата, листьях подсолнечника, а также в культуре
клеток моркови синтез материала клеточных стенок не
нарушается в условиях дефицита бора. По-видимому, функция бора, а также
Са2+ в клеточных стенках связана с удержанием полисахаридов
посредством связывания в области RG II.
В клеточных стенках борат-эфирные связи относительно
слабые (слабее кальциевых), поэтому они легко разрываются и вновь
образуются при растяжении клеток. При значениях рН,
оптимальных для роста растяжением, до 30 % боратных эфиров могут
превращаться в циклические диэфиры, что сопровождается
морфологическими изменениями в клеточной стенке без нарушений
композиции составляющих ее полимеров. По существу, бор —
важный морфогенетический агент, определяющий развитие
специфических форм клеточных стенок высших растений. Согласно
современным представлениям, сеть пектина в клеточной стенке
формируется отдельно от целлюлозы и гемицеллюлозы. В клеточных стенках
протопластов моркови пектиновые полисахариды секретируются
109
раньше, чем микрофибриллы целлюлозы. Вероятно, полимеры
пектина ориентируются в направлении удлинения клетки.
Образуемые в ходе развития растения полисахаридные цепи
обволакивают микрофибриллы и таким образом связывают сеть пектина с
целлюлозными микрофибриллами. При формировании сети из
пектиновых полисахаридов В-диэфирные связи в области RG II
имеют преимущества перед Са-мостиками. Сайты RG II
специфичны для борной кислоты, значит, клетки могут контролировать
количество узлов в полисахаридных цепях, регулируя частоту
вставок RG II в пектин.
Боратные комплексы заряжены отрицательно, что оказывает
влияние на формирование связей клеточной стенки с ионами,
например Са2+. Тесное взаимодействие между бором и кальцием
имеет важное значение для роста растительных клеток и транспорта
кальция в побег. Типы связей кальция в апопласте определяют его
ионообменные свойства. Изменение ионообменных свойств апоп-
ласта влияет на интенсивность транспорта Са2+, что отражается на
параметрах роста клетки. Возможно, ряд физиологических
эффектов, вызываемых бором, связан с регуляцией пула
ионизированного кальция в апопласте.
Сходные с бором свойства проявляет германий, образуя
комплексы с соединениями, имеющими соседствующие ОН-группы в
цис-положении. При внесении германия в условиях дефицита бора
у растений восстанавливается целостность клеточных стенок и
замедляются проявления симптомов недостатка бора.
По-видимому, бор играет некоторую роль в поддержании
структурной целостности не только клеточных стенок, но и мембран.
Значение бора для функционирования плазматических мембран
изучено лучше, чем для тонопласта и оболочек хлоропластов.
Бор необходим для образования и поддержания мембранного
потенциала. Этот элемент в присутствии ИУК влияет на активность
Н+-АТФазы, связанной с плазматическими мембранами. В клетках
корней растений при недостатке бора активность Н-помпы
подавлена, но быстро восстанавливается при возобновлении питания бором.
Влияние бора на Н+-АТФазу, по-видимому, косвенное, оно
опосредовано воздействием этого элемента на стабилизацию и структурную
целостность плазматической мембраны. Этот физиологический
эффект может быть достигнут в результате образования комплексов бора
с гликопротеинами или гликолипидами мембраны.
ПО
При недостатке бора проницаемость мембран повышается, что
регистрируют по усиленному выходу электролитов из клетки. Как
и в случае с клеточной стенкой, замена бора германием
способствует восстановлению избирательности и нормализации функции
плазматической мембраны. Однако в мембранных фракциях не
обнаружено значительного количества бора. Например, в микросом-
ной фракции культуры клеток табака содержится не более 0,5 %
клеточного бора.
Участие бора в синтезе и функционировании клеточных стенок
и плазматических мембран отражается на росте пыльцевой
трубки, который сильно ингибирован в условиях В-дефицита. Этим
объясняется более тесная зависимость от снабжения растений
бором урожая семян по сравнению с урожаем вегетативных органов.
В целом нарушения структуры и функционирования клеточных
стенок и плазматических мембран рассматривают как основной
эффект В-дефицита, который обусловливает каскад вторичных
изменений в метаболизме и росте высших растений. Эти
нарушения тесно связаны с фенольным обменом (рис. 3. 18).
В условиях недостатка бора накопление фенолов
сопровождается увеличением активности полифенолоксидазы. Повышенное
содержание фенолов и соответствующих энзимов в клеточной стенке
обусловливает увеличение реактивности промежуточных
продуктов: хинонов (кофейного) и активированных фенолов,
способствующих продуцированию супероксидных радикалов. Последние
играют важную роль в пероксидном окислении липидов и
нарушении целостности мембран (см. 3. 2). У тех растений, которые в
ответ на В-дефицит аккумулируют фенолы, например кофейную
кислоту, обычно регистрируют высокий уровень ИУК.
Накопление ИУК может быть обусловлено ингибирующим действием
кофейной кислоты на активность ИУК-оксидазы. Кроме того, бор
может влиять на формирование полярных потоков не только
кальция, но и ауксина. У гипокотильных сегментов и колеоптилей
базипетальный транспорт ИУК ингибируется в условиях
дефицита бора.
Возможно, бор играет существенную роль в транспорте
углеводов и белковом метаболизме. Однако участие бора в этих
процессах, по-видимому, вторично. Основной транспортной
формой углеводов во флоэме является сахароза, которая не
образует устойчивых боратных комплексов, кроме того, бор не
111
• Фенолы'4JR ***•*. Лигнин
Рис. 3. 18. Предполагаемая роль бора в метаболизме клеточной стенки
[модифицировано по: Marschner, 1997; воспроизведено с любезного
разрешения Academic Press Limited].
Объяснения в тексте.
включен в механизм загрузки сахарозы во флоэму. Нет
убедительных доказательств и прямого участия бора в азотном
метаболизме.
СОДЕРЖАНИЕ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ
Концентрация бора в тканях растений зависит от их вида,
возраста, условий минерального питания и обычно варьирует в
диапазоне 1—100 мг/кг сухой массы. Наиболее отчетливо различают-
112
ся на основании потребности в боре злаки и двудольные, что
обусловлено разницей в составе их клеточных стенок, в
частности в содержании пектиновых веществ. Если в листьях
злаков (пшеница, кукуруза) среднее содержание бора не
превышает 9 мг/кг сухой массы, то у сахарной свеклы значение
этого показателя может достигать 100 мг/кг сухой массы. Бор, как
и кальций, в основном приурочен к клеточным стенкам
растительных клеток.
ДЕФИЦИТ БОРА
Недостаток бора обычно проявляется у растений на почвах с
высокими значениями рН, на известкованных, карбонатных, а
также на почвах с утяжеленным гранулометрическим составом.
Симптомы дефицита бора начинают проявляться у злаков при
содержании этого элемента 5—10, у большинства двудольных 20—70 мг/кг
сухой массы. К наиболее типичным признакам недостатка бора
относится подавление точек роста у растений, главным образом у
двудольных. Эти нарушения сопровождаются изменениями в даф-
ференцировке тканей. В корнях растений подавление роста
растяжением сопровождается изменениями направления клеточных
делений: с нормального продольного на радиальное. Происходит
пролиферация камбиальных клеток, нарушается дифференциров-
ка клеток ксилемы. Однако модификации дифференцировки
клеток рассматриваются как вторичные проявления недостатка бора.
Первые симптомы дефицита этого элемента состоят в
изменениях структуры клеточных стенок. В условиях дефицита бора
клеточные стенки утолщаются, в их составе увеличивается
содержание пектиновой субстанции. Кроме того, повышается
проницаемость плазматических мембран. Типичный признак недостатка
бора — аккумуляция фенолов, в том числе ИУК.
При недостатке бора нарушается формирование генеративных
органов растений. У злаков критический период приходится на этап
от появления в средней части зачаточного колоса тычиночных
бугорков до образования тетрад. Нарушается образование и
прорастание пыльцы, а также формирование семян.
В целом изменения, вызванные недостатком бора, в синтезе
клеточных оболочек и дифференцировке клеток обусловливают
комплекс вторичных нарушений метаболизма, например азотного
ИЗ
и углеводного. Степень их проявления зависит от строгости
дефицита, возраста и органа растений.
При недостатке бора подавляется рост почек и молодых
листьев. При остром дефиците терминальные почки отмирают.
Междоузлия становятся укороченными, растения приобретают признаки
кустистости и «розеточности». У листьев появляется межжилко-
вый хлороз. Типичные признаки недостатка бора — опадание
почек и цветков, плоды не формируются. У злаков уменьшается
количество цветков, у кукурузы початки становятся мелкими и
искривленными, на листьях появляются белесые пятна, позднее
листья засыхают. У картофеля клубни мелкие с бурыми пятнами,
водянистые при варке. Капуста цветная формирует бурую
рыхлую головку. У корнеплодов темнеет сердцевина, ее некроз
приводит к появлению заболевания «гниль сердечка». Увеличение
диаметра стебля часто сопровождается его растрескиванием, как у
сельдерея и брокколи. У плодовых культур засыхают верхушки
побегов, у основания формируется розетка листьев измененной
формы. Плоды становятся мелкими, уродливыми, на кожуре и в
мякоти образуется опробковевшая ткань, кожура растрескивается.
ХЛОР
ФОРМЫ И ФУНКЦИИ
Первые исследования, доказывающие необходимость хлора
высшим растениям, провел Т. Бройер с коллегами (1954). В высших
растениях хлор, как правило, находится в виде свободного
хлорид-аниона или в слабо связанном состоянии. Обнаружено
свыше 30 органических соединений, содержащих хлор. Однако их
функции в растениях пока не известны. Средние концентрации
хлора составляют около 2—20 мг/г сухой массы, что сопоставимо
с уровнем, характерным для макроэлементов. В то же время
реальные потребности растительного организма в этом элементе на
один-два порядка ниже.
Одна из важных функций хлора связана с фотосинтезом. Хлор
необходим для работы ФС II на стадии разложения воды и
выделения кислорода. В этом процессе хлориды выполняют функции
мостиковых лигандов, стабилизирующих окисленные формы
марганца. Кроме того, хлориды могут быть структурными компонен-
114
тами ассоциированных полипептидов. Взаимодействуя с
положительными зарядами последних, хлориды предотвращают их
диссоциацию. Вместе с тем существует точка зрения, согласно
которой ионы кальция играют более важную, чем хлориды,
структурную роль в ФС II.
Хлориды специфически влияют на работу Н+-АТФаз тонопла-
ста, активность которых практически не зависит (по сравнению с
протонной помпой, локализованной в плазмалемме) от влияния
моновалентных катионов. В отличие от хлоридов бромиды менее
эффективно действуют на Н+-АТФазу тонопласта, а сульфаты ее
подавляют. Выявлена связь между активностью
С1-стимулируемой Н+-АТФазы и скоростью роста колеоптилей и корней.
Возможно, что один из механизмов влияния хлора на рост растений
связан с регуляцией работы протонной помпы тонопласта. Кроме
того, хлорированные формы ИУК, содержащиеся в семенах
растений некоторых видов (горох, бобы), стимулируют рост гипоко-
тилей во много раз интенсивнее, чем собственно ИУК. Этот
эффект объясняют большей устойчивостью хлорированных форм
ИУК к деградации, обусловленной действием пероксидаз. В
целом специфическая роль хлора как микроэлемента в процессах
деления и растяжения клеток изучена недостаточно.
Пока получено немного информации и о роли хлора в
азотном метаболизме высших растений. Известно, однако, что
хлориды стимулируют активность аспарагинсинтетазы, которая
участвует в переносе NH3 с глутамина на аспарагин, повышая
сродство фермента к субстрату в несколько десятков раз.
Поэтому хлориды могут играть важную роль в азотном метаболизме
тех растений, у которых аспарагин является основной
транспортной формой азота.
При относительно высоких концентрациях в целом растении или
его отдельных частях хлориды могут выполнять и не характерные
для микроэлементов функции, связанные с осморегуляцией.
Наряду с калием хлориды служат главными регуляторами
осмотического давления в вакуолях, где эти анионы концентрируются в
значительном количестве. Выполнение хлоридами осморегулирующей
функции характерно также для зон растяжения корня и побега,
стигмы, замыкающих клеток, где концентрация ионов хлора обычно
существенно выше, чем в проводящих тканях растений, даже при
низком уровне снабжения растений этим элементом.
115
СОДЕРЖАНИЕ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ
Как уже упоминалось, содержание хлора в растениях может
составлять 2—20 мг/г сухой массы. В черешках хлора
накапливается больше, чем в пластинках листьев. Концентрация хлора
повышена в замыкающих клетках устьиц, зонах растяжения осевых
органов растений. В клетке хлор в основном сосредоточен в вакуолях.
ДЕФИЦИТ ХЛОРА
Недостаточное содержание хлора типично для сильно
выщелоченных почв. В этих условиях С1-дефицит может проявляться даже
у растений с относительно низкой потребностью в этом элементе
(злаки). Критический уровень концентрации хлора, при котором
наблюдаются симптомы дефицита, составляет примерно 0,2 % сухой
массы В листовых пластинках сахарной свеклы критический
уровень дефицита хлора составляет 0,7—1,7 мг/г сухой массы.
Главный эффект С1-дефицита заключается в подавлении деления и
растяжения клеток, что отражается на размерах и массе листьев
растений. Нетго-фотосинтез в меньшей степени изменяется при
недостатке хлорвдов в среде. Проявление симптомов недостатка хлора
у растений во многом зависит от их генотипической специфики.
К наиболее типичным визуальным признакам недостатка
хлора у растений относятся увядание листьев и особенно их краев,
преждевременное старение листьев, а также появление трещин на
поверхности стебля. На начальных стадиях симптомы недостатка
хлора похожи на признаки магниевой недостаточности. При этом
на межжилковых участках листьев появляются пятна хлороза,
хорошо заметные в отраженном свете. Кроме того, у пораженных
растений усиливается образование боковых утолщенных корней.
НИКЕЛЬ
ФОРМЫ И ФУНКЦИИ
Необходимость для высших растений никеля как
микроэлемента относительно недавно доказал П. Браун с сотрудниками (1987).
В биологических системах в основном представлен в виде Ni (II),
но может также находиться в форме Ni (I) и Ni (III). Как и
многие другие металлы-микроэлементы, образует устойчивые
комплексы с органическими соединениями. Комплексные соединения
116
никеля в растениях имеют молекулярную массу от 1 до 5 кД и
общий отрицательный заряд.
Никель входит в число важных микроэлементов многих
бактерий как компонент их уреаз и различных дегидрогеназ. В
настоящее время установлена необходимость никеля и для высших
растений, бобовых и небобовых. В высших растениях наиболее
хорошо изучен Ni-содержащий фермент уреаза. Этот фермент
молекулярной массой 590 кД состоит из шести субъединиц (гексамер),
каждая из них содержит по два атома никеля. В субъединицах
никель координирован N- и О-лигандами. По-видимому, одна
Ni—О-связь может замещаться молекулой воды в ходе реакции
гидролиза. Как металлокомпонент, никель необходим для
стабилизации структуры фермента и проявления им каталитических
функций. В растениях, обеспеченных никелем, выше активность уреа-
зы и соответственно ниже содержание мочевины по сравнению с
необеспеченными. В гидрогеназах бактерий (сульфатредуцйру-
ющих, фотосинтетических и др.) никель ассоциирован с Fe—S-кла-
стерами и таким образом принимает участие в
окислительно-восстановительных реакциях. В отсутствие никеля гидрогеназная
активность Rhizobium и Bradyrhizobium минимальна.
Никель может оказывать неспецифическое действие на ряд
ферментных комплексов: активирует аргиназу, некоторые пепти-
дазы, оксалоацетатдекарбоксилазу, нитратредуктазу. Выступает
фактором, стабилизирующим антоциановые пигменты, а также
структуру рибосом. Никель необходим для генеративного
развития растений. Например, зерновки злаков, полученные с растений,
выращенных в условиях Ni-дефицита, характеризуются низкой
всхожестью семян. Несмотря на недостаточную изученность
функций никеля, этот металл по своему физиологическому значению
в настоящее время классифицирован как необходимый для
высших растений микроэлемент.
СОДЕРЖАНИЕ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ
Концентрация никеля в растениях, выращенных на
незагрязненных почвах, существенно колеблется в зависимости от
биологических особенностей культур и условий внешней среды. В
травах содержание никеля достигает 1,7, а в клевере 2,7 мг/кг сухой
массы. В овощах значения этого показателя изменяются от 0,2 до
4 мг/кг сухой массы. При техногенном загрязнении концентрация
117
никеля в растениях резко возрастает, достигая токсичных уровней
как для растения, так и для человека и животных.
ДЕФИЦИТ НИКЕЛЯ
До сих пор нет четких доказательств проявления дефицита
никеля у растений, произрастающих в почве. В
экспериментальных условиях недостаток никеля вызывает нарушения метаболизма
мочевины: подавлены уреазная активность и прорастание семян,
отмечены избыточное накопление мочевины и некроз
растительных тканей Критический уровень содержания никеля в побегах
не превышает 0,1 мг/кг сухой массы.
КОБАЛЬТ
ФОРМЫ И ФУНКЦИИ
В тканях растений находится в ионной (Со2+, Со3+) и
комплексной форме. Долгое время рассматривался как элемент,
необходимый только для животных и микроорганизмов. В настоящее
время кобальт относят к металлам, полезным или необходимым для
высших растений (в зависимости от их вида). Основная функция
кобальта связана с его участием в фиксации атмосферного азота в
клубеньках бобовых и небобовых растений. Из корневых
клубеньков изолирован коэнзим кобаламин (витамин В12 и его дериваты),
доказана абсолютная нуждаемость в кобальте Rhizobium и других
микроорганизмов, фиксирующих азот. Коэнзим кобаламин содержит
в качестве металлокомпонента Со (III), который хелатирован четырьмя
атомами азота в центре порфириновой структуры, напоминающей по
своему строению гем железа (рис. 3. 19). У видов Rhizobium и
Bradyrhizobium известны три Co-зависимых фермента.
Метионинсинтаза. Участвует в синтезе метионина, подавление
которого в условиях недостатка кобальта ведет к снижению
синтеза белка и уменьшению размеров бактероидов.
Рибонуклеотидред>тсгаза. Катализирует восстановление рибонук-
леотидов до дезоксирибонуклеотидов, т. е. фермент включен в
синтез ДНК и деление клеток Rhizobium.
Метилмалонил-коэнзим А-мутаза. Включен в синтез гема в
бактероидах, поэтому в условиях Co-дефицита синтез леггемоглоби-
на напрямую подавляется.
118
HjNCOCHj
\
H,NCO
CH
CONH2
CH,
H,N-COCH
<:ж
сн3
CH,
Рис. 3. 19. Структура кобаламина (витамина В12)
Под влиянием кобальта стимулируется развитие растительной
ткани, содержащей бактероиды, увеличивается число рибосом как
в растительной, так и в бактероидной клетке, повышается
подвижность бактероидов в клубеньках бобовых растений. Однако о
химических соединениях кобальта и их локализации в клубеньках
практически ничего не известно.
Участие кобальта в метаболизме высших растений, не
способных к ^-фиксации, может быть специфическим или косвенным.
Кобальт может стимулировать клеточную репродукцию листьев
растений. В оптимальных концентрациях этот микроэлемент
способствует увеличению толщины и объема мезофилла в листьях,
числа и размеров клеток столбчатой и губчатой паренхимы листа.
Кобальт влияет на формирование и функционирование
фотосинтетического аппарата растений. Этот микроэлемент способствует
концентрированию хлоропластов и пигментов в листьях, что
связано с возрастанием объема пластидного аппарата за счет
репликации и роста органелл.
На структуру фотосинтетического аппарата растений,
выращенных в стерильных и нестерильных условиях, кобальт влияет
однотипно. Этот факт свидетельствует о специфичности тех
функций кобальта, проявление которых напрямую не связано с
синтезом витамина В12 микрофлорой. Возможно, кобальт участвует в
биосинтезе хлорофилла и его предшественников. Ионы кобальта
способны катализировать образование сукцинилкоэнзима А —
предшественника биосинтеза как Fe-, так и Mg-порфиринов. Этот
элемент участвует в биосинтезе боковых цепей хлорофилла,
обеспечивая миграцию радикалов в пределах пиррольного ядра. В
оптимальных концентрациях кобальт может окислять каротино-
иды и тем самым вовлекать их в
окислительно-восстановительные реакции.
Кобальт может активировать биосинтез хлорофилла,
стимулируя синтез белка цитоплазмы и хлоропластов. Под влиянием
кобальта фотохимическая активность хлоропластов, оцениваемая по
реакции Хилла, возрастает параллельно увеличению содержания
в них белка. Связь кобальта с синтезом белка может осуществляться
через регуляцию структуры и устойчивости рибосом, а также
функционирования РНК.
Стимуляцию кобальтом роста объясняют участием
микроэлемента в регуляции баланса фитогормонов: ауксина и этилена.
120
Принципиально возможно блокирование кобальтом биосинтеза
этилена на этапе его формирования из метионина. Подавление синтеза
этилена может сопровождаться усилением действия его
антагониста — ауксина, и стимуляцией роста растительных клеток.
СОДЕРЖАНИЕ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ
Кобальт обнаружен во всех высших и низших растениях, его
концентрация колеблется от следовых значений до 12 мг/кг
сухой массы. Ориентировочные уровни содержания кобальта в
некоторых видах растений представлены выше (см. табл. 2. 3).
Повышенным содержанием кобальта характеризуются бобовые
растения (табл. 3. 5), в злаках этого металла значительно меньше. У
растений, способных к симбиотической фиксации молекулярного
азота, кобальт концентрируется главным образом в клубеньках.
Концентрация кобальта повышена и в генеративных органах: в
цветках, пыльце и др. На начальных этапах развития растений кобальт
интенсивнее поступает в верхние листья, чем в нижние. На более
поздних этапах наблюдают обратную закономерность. В ходе
онтогенеза кобальтом постепенно обогащаются листовые пластинки
и обедняются черешки, а также корнеплоды. При изучении
распределения кобальта в клетке его наибольшее содержание
отмечено в надосадочной жидкости, меньше в митохондриях, хлоропла-
стах и ядрах.
Таблица 3. 5
Концентрация кобальта в растениях, возделываемых
на различных почвах [по: Kubota, Allaway, 1972]
Вид растения
Бобовые:
люцерна
клевер шведский
клевер красный
Травы:
костер
ежа
тимофеевка
Концентрация Со,
мкг/г сухой массы
0,18
0,27
0,15
0,04
0,08
0,04
121
ДЕФИЦИТ КОБАЛЬТА
Недостаток кобальта проявляется на бедных по этому
элементу почвах. Критические концентрации кобальта в почве,
вызывающие его дефицит, у растений бобовых обычно выше, чем для
трав. Недостаток кобальта отражается главным образом на процессе
Й2-фиксации. У бобовых, произрастающих в условиях Со-дефи-
цита, отмечена низкая активность клубеньков, а интенсивность
образования бактероидной ткани и подвижность бактероидов
подавлены. Количество рибосом в цитоплазме как растительной, так
и бактероидной клеток уменьшено. Эти изменения
сопровождаются комплексом нарушений в азотном метаболизме растений. У
растений некоторых видов, не обладающих способностью к
фиксации молекулярного азота, при недостатке кобальта может снижаться
содержание в листьях хлорофилла, каротиноидов, витамина Е.
Внешние проявления недостатка кобальта у растений аналогичны
симптомам дефицита азота. Наблюдается хлороз листьев,
замедляется рост растений. Цикл развития растений укорочен.
Наиболее четко симптомы недостатка кобальта проявляются у бобовых.
4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
В СЕМЕНАХ
В этой главе основное внимание сосредоточено на
закономерностях распределения микроэлементов в
семенах высших растений на разных стадиях их
генеративного развития. Описаны пути транспорта
микроэлементов в формирующихся семенах. Приведена
информация о формах, в которых микроэлементы запасаются
в семенах. Рассмотрены динамика распределения
микроэлементов при прорастании семян и донорно-акцеп-
торные отношения между органами семян и
проростка. Определена роль отдельных частей семени в
снабжении микроэлементами осевых органов зародыша.
4.1. ФОРМИРУЮЩИЕСЯ СЕМЕНА
Формирование семян высших растений начинается с момента
оплодотворения и заканчивается образованием зрелых семян.
Условно этот период Д. Бевли (1997) делит на три фазы. Во время
фазы /происходит интенсивное деление клеток и формирование
структур семени. После окончания интенсивного клеточного
деления начинается фаза II На этой стадии развития резервные
вещества интенсивно аккумулируются в семенах, что
сопровождается увеличением сухой массы последних. После накопления
сухой массы начинается фаза III, в течение которой достигается
физиологическая зрелость семян. Наступление этой фазы
определяет, по существу, окончание продукционного процесса у
культурных растений.
Особенности распределения микроэлементов по органам зрелого
семени во многом зависят от транспорта микроэлементов в
семенах в ходе их формирования. На стадии репродуктивного
развития растений значительно снижается активность корней и
соответственно поглощение питательных элементов из почвы. Поэтому
123
при формировании семян возрастает роль ремобилизации
минеральных веществ из других органов растений.
Под ремобилызацией понимают совокупность физиологических
и биохимических процессов, направленных на вторичное
использование минеральных элементов и запасных веществ
формирующимися органами. Ремобилизация минеральных элементов
включает следующие стадии: мобилизацию в индивидуальных
клетках, ближний транспорт элементов по симпласту к флоэме,
загрузку флоэмы и флоэмный транспорт. На стадии формирования
семян интенсивность ремобилизации зависит от специфической
потребности семян в конкретном элементе, минерального статуса
вегетативных частей, мобильности элементов при движении по
флоэме. У хлебных злаков свыше 90 % общего фосфора в зерновках
может обеспечиваться ремобилизацией этого элемента из
вегетативных органов. Для азота эта величина составляет 50—90 % в
зависимости от условий культивирования растений. Высокой
степенью ремобилизации характеризуются и некоторые
микроэлементы. В плоды люпина поступает до 50 % микроэлементов от их
исходного количества в листьях. Скорость ремобилизации
микроэлементов зависит также от минерального статуса листа. У
пшеницы за весь период развития зерновки листья с высоким
содержанием меди могут терять до 70 % этого элемента, а с низким
только 20 %. Различия объясняют тем, что в листьях при
дефиците микроэлементов велика доля их прочно связанных форм.
Мобильность химического элемента во флоэме играет важную
роль в его транспорте от источника к емкости. Этот показатель
зависит от генотипа и минерального статуса растений. Однако при
передвижении по флоэме (опыты in vivo) наиболее высока
мобильность хлора, которая сопоставима с мобильностью
макроэлементов: калия, магния, фосфора, серы, азота. Низкая мобильность
отмечена для марганца, а из макроэлементов — для кальция.
Железо, цинк, медь, бор и молибден отличает средняя мобильность
во флоэме. На репродуктивной стадии развития растений
ремобилизация микроэлементов и кальция обычно выше, чем в
период вегетативного роста. Формирующиеся семена и плоды
индуцируют старение листьев, в которых изменяется гормональный
баланс, играющий важную роль в ремобилизации. Старение листьев
могут также усиливать затенение и дефицит питательных веществ
(азота), что соответственно повышает степень ремобилизации
124
микроэлементов из этих органов. Отметим, что до сих пор не
установлен вклад флоэмного транспорта микроэлементов в их
аккумуляцию в зерновке по сравнению с транспортом по ксилеме.
Основные исследования накопления микроэлементов в
формирующихся семенах выполнены Д. Пирсоном и Р. Грахамом с
коллегами (1994—1998) на пшенице. Марганец и цинк
транспортируются к зерновкам различными путями. Цинк, транспортируемый
по ксилеме, прежде чем поступить в зерновку пшеницы попадает
во флоэму плодоножки и ости. С помощью ингибиторов
мембранного транспорта было установлено, что марганец из ксилемы
поглощается так называемыми переходными клетками, а затем по
симпласту попадает в проводящую систему зерновки.
После проведения экспериментов с изотопами 54Мп и 65Zn
удалось выяснить, что скорость поступления этих микроэлементов в
зерновку на ранних стадиях генеративного развития пшеницы
выше, чем на завершающих. Причем максимальное количество
микроэлементов аккумулируется в наиболее интенсивно растущих
в этот период тканях: в перикарпе, а также в эндосперме (рис. 4. 1).
Аккумуляция марганца и цинка в зародыше происходит на более
поздних этапах развития зерновки.
Цинк и марганец, поступившие непосредственно в зерновку, в
основном перемещаются по флоэме проводящей системы
бороздки и накапливаются в тканях эндокарпа бороздки. В зоне
бороздки располагается основная проводящая система плода злаков,
состоящая из одного или нескольких пучков. При разрушении
флоэмы бороздки над зародышем (введение внутрь проводящего пучка
горячей иглы) резко снижается поступление марганца и цинка в
эндокарп, а также марганца в зародыш (рис. 4. 2).
В дорсальную часть перикарпа транспорт марганца и цинка
может осуществляться по протофлоэме стенок завязи. Туда поступает
менее 5 % цинка и 15 % марганца, транспортируемых в зерновку. В
дорсальной области перикарпа располагаются три пучка протофлоэ-
мы. Два из них локализованы на боковой стенке завязи и тянутся
по всей длине зерновки. Третий пучок находится напротив складки
на дорсальной стороне стенки завязи и простирается лишь на часть
завязи. Эти пучки существуют до времени полусозревания зерновки
или еще дольше, а затем постепенно отмирают с базипетального
конца. В это время уменьшается поступление в перикарп цинка
и марганца, особенно марганца. Возможно, марганец и цинк
125
10 15 20 25 30 35
Время после опыления, дни
-О- Внешний перикарп -±- Внутренний перикарп
-О- Зародыш бороздки
-ф- Эндосперм
Рис. 4. 1. Аккумуляция 65Zn и 54Мп в тканях зерновки пшеницы
в процессе их развития [по: Pearson et al., 1998]
транспортируются в дорсальную часть перикарпа и через
алейроновый слой зерновки: этот слой выделяет соединения, попадающие через
эндокарп в экзокарп. Для подтверждения этого предположения
необходимы дополнительные исследования.
Основной приток цинка в зародыш созревающей зерновки
пшеницы осуществляется по флоэме пучка, начинающегося в
плодоножке. Разрушение флоэмы бороздки в зоне выше
зародыша практически не влияет на поступление микроэлемента в этот
орган в ходе его развития (рис. 4. 2). В то же время транспорт в
зародыш марганца может проходить по флоэме как пучка плодо-
126
120 г
100 h
80
60
40
| 20
a>
S
8 о
8"
20 \-
3 40
§30
X
^ 20
10
0
Zn
Pffflh—i
й Контроль
□ Флоэма блокирована
Внешний Внутренний Эндосперм Зародыш
перикарп перикарп
бороздки
Рис. 4. 2. Аккумуляция 65Zn и 54Мп в тканях зерновок пшеницы
после разрушения флоэмы бороздки выше зоны зародыша
(по: Pearson et ai., 1998]
ножки, так и бороздки. Поэтому разрушение последней существенно
снижает поступление марганца в зародыш.
Интенсивное поступление микроэлементов в зерновку по
срокам совпадает с их сильным оттоком из вегетативных
органов. Пути транспорта в зерновке сахарозы и микроэлементов (Zn
и Мп) отличаются. Сахароза преимущественно транспортируется по
проводящей системе бороздки к эндосперму, где распределяется в
радиальном направлении и запасается в виде крахмала.
Микроэлементы, как уже упоминалось выше, поступают в эндосперм
в значительно меньшем количестве.
127
На заключительных этапах марганец и цинк могут
перераспределяться внутри зерновки (пшеница) с током воды. Ретрансло-
кация из перикарпа отмечена, по крайней мере, для марганца.
Аккумуляция цинка в зародыше и эндосперме происходит
вследствие оттока этого металла из верхней и нижней цветковых
чешуи, но не из перикарпа. Возможно, марганец не перемещается
из вегетативных тканей вторичного колоска и накапливается в
зерновке в результате транспорта из фондов в плодоножке и ости. По
мере созревания зерновки клетки перикарпа разрушаются и
большинство его ассимилятов попадает в эндосперм. Несмотря на
возможность ремобилизации микроэлементов из перикарпа на
завершающей стадии развития, в зрелых зерновках этот орган
сохраняет значительные количества микроэлементов (см. 4. 2). Поэтому
использование технологий помола, в которых перикарп
изымается (лущение), приводит к сильному обеднению
микроэлементного состава муки.
4. 2. ЗРЕЛЫЕ СЕМЕНА
4. 2.1. Общее содержание микроэлементов
Уровень содержания микроэлементов в семенах и
вариабельность микроэлементного состава растений в основном
определяются генотипическими особенностями культур, возрастом
растений и экологическими факторами.
Принято считать, что у высших растений элементный состав
репродуктивных органов отличается большим постоянством, чем
таковой вегетативных. Относительный консерватизм генеративных
органов обусловлен более строгим генетическим контролем. В
условиях острого дефицита минеральных элементов формирование
генеративных органов заторможено или вовсе не происходит.
Избыточному накоплению элементов в семенах и плодах
препятствуют барьерные функции вегетативных органов, например
концентрирование металлов в апопласте корней.
Вместе с тем содержание микроэлементов в семенах растений
варьирует в довольно широком диапазоне (табл. 4. 1; 4. 2), что
обусловлено генетическими и экологическими факторами. У злаков
128
Таблица 4. 1
Концентрация микроэлементов в зерновках злаков
[модифицировано по: Ягодин, 1989]
Элемент
Fe
Мп
Си
Zn
Со
Мо
В
fe
Мп
Си
Zn
Со
Мо
В
Fe
Мп
Си
Zn
Со
Мо
В
Fe
Мп
Си
Zn
Со
Концентрация, мг/кг сухо*
Средняя ,
37,5 ±3,1
38,6 ± 3,4
4,99 ±0,29
30,1 ±2,1
0,104 ± 0,032
0,382 ± 0,063
1,44 ±0,32
74,8 ± 13,7
30,3 ± 4,8
6,03 ±0,79
30,3 ± 2,7
0,14 ±0,09
0,44 ±0,14
2,74 ± 0,60
48,9 ± 4,6
54,8 ± 10,0
6,15 ±0,69
26,7 ± 6,8
0,080 ± 0,001
0,48 ±0,10
2,24 ±0,51
28,1 ±4,3
9,2 ±1,9
2,91 ± 0,47
28,3 ±3,0
1,92
Минимальная
Пшеница
20,7 ± 2,7
21,3 ±4,2
2,78 ± 0,34
19,8 ±1,9
0,079 ±0,021
0,197 ±0,038
0,78 ± 0,36
Ячмень
35,1 ±5,8
15,5 ±2,3
3,61 ±0,58
19,9 ± 3,0
0,07 ± 0,04
0,18 ±0,04
1,72 ±0,59
Овес
37,3 ± 4,8
28,3 ± 7,8
3,85 ± 0,73
18,1 ±5,1
0,027 ± 0,007
0,23 ± 0,06
1,06 ±0,53
Кукуруза
18,2 ± 1,7
6,1 ± 1,4
1,94 ±0,53
23,4 ± 2,4
1,82
i массы
Максимальная
64,5 ± 9,6
71,1 ±8,4
8,05 ± 1,19
47,4 ± 4,9
0,252 ± 0,076
0,872 ±0,165
1,62 ±0,53
120,8± 20,9
50,8 ± 12,7
9,80 ± 2,07
37,7 ± 3,7
0,21 ±0,13
0,66 ±0,17
2,87 ± 1,06
75,1 ± 10,0
117,9 ±30,5
9,11 ±1,19
48,6 ± 17,2
0,113 ±0,028
0,73 ±0,13
2,41 ± 0,80
30,4 ± 2,8
9,5 ± 1,5
3,44 ± 0,29
40,3 ± 4,8
2,02
129
Окончание табл. 4. 1
Элемент
Мо
В
Fe
Мп
Си
Zn
Мо
Концентрация, мг/кг сухой
Средняя
0,142 ±0,044
2,93 ± 0*,07
58,4 ± 19,4
35,1 ± 10,9
5,95 ± 1,09
25,5 ± 3,0
0,74
Минимальная
Кукуруза
0,070 ±0,031
2,50 ± 0,50
Рис
38,0 ± 10,3
18,4 ±5,4
3,69 ± 0,76
17,9 ±2,3
0,24
[ массы
Максимальная
0,403 ± 0,208
3,50 ± 0,50
90,6 ± 38,5
79,1 ± 29,6
7,92 ±0,86
35,5 ± 4,3
3,23
высокие концентрации железа обнаружены в зерновках ячменя и
риса, а марганца в зерновках овса (табл. 4. 1). Среди бобовых
содержание бора, железа, меди и цинка в семенах сои обычно выше,
чем в семенах гороха и фасоли (табл. 4. 2). Самые высокие
концентрации кобальта установлены в семенах фасоли. Среднее
содержание молибдена в семенах бобовых уменьшается в ряду:
горох > соя > фасоль. В целом в семенах бобовых содержание
микроэлементов выше, чем в зерновках злаков. Наиболее сильные
различия между указанными группами растений установлены по
содержанию в семенах молибдена и бора. Не случайно поэтому
бобовые культуры относят к растениям — концентраторам
микроэлементов. Выявленные закономерности следует рассматривать как
ориентировочные, поскольку они базируются на результатах
усреднения многочисленных данных, полученных с
использованием различных методических подходов.
Содержание микроэлементов в семенах может варьировать у
растений не только разных видов, но и в пределах одного вида.
Так, микроэлементный состав семян существенно варьирует у
пшеницы, кукурузы, сои и других культур различных сортов.
Уровень накопления и состав микроэлементов в семенах в
значительной степени зависят и от почвенно-климатических
факторов. В зоне тайги и подтайги в зерновках пшеницы, ячменя, ржи
и овса содержится больше марганца, меньше меди и молибдена,
по сравнению с лесостепью и степью. В зоне тайги и подтайги
обнаружено и более низкое содержание меди в семенах гороха.
130
Таблица 4. 2
Концентрация микроэлементов в семенах зернобобовых культур
[модифицировано по: Ягодин, 1990]
Элемент
Fe
Мп
Си
Zn
Со
Мо
В
Fe
Мп
Си
Zn
Со
Мо
В
Fe
Мп
Си
Zn
Со
Мо
В
Концентрация, мг/кг сухо*
Средняя
56,4 ± 5,0
20,9 ± 2,6
10,2 ±1,0
36,4 ± 2,4
0,31 ±0,08
5,4 ± 0,8
7,00 ± 0,78
131,9 ±23,5
31,2 ±2,7
14,8 ± 1,6
51,3 ±3,7
0,37 ± 0,08
3,89 ± 1,08
24,4 ± 2,7
61,7 ±10,5
17,5 ± 3,2
8,5 ± 0,6
32,4 ± 4,4
0,73 ± 0,54
2,42 ± 0,54
15,8 ±4,7
Минимальная
Горох
36,6 ± 6,3
10,5 ±1,1
6,2 ± 0,7
28,6 ± 4,3
0,23 ± 0,06
1,35 ±0,41
6,48 ± 0,48
Соя
86,0 ± 11,4
19,5 ± 2,3
9,4 ± 1,8
33,7 ±3,2
0,13
1,04 ±0,53
23,0 ±3,8
Фасоль
61,1 ±20,5
6,0
3,6 ± 1,3
29,4 ± 6,2
0,45 ± 0,32
0,27 ±0,14
14,7 ±1,3
i массы
Максимальная
75,2 ± 8,5
23,7 ± 1,8
15,7 ±1,6
55,6 ± 5,6
0,63 ± 0,22
14,53 ± 5,39
12,78 ±2,49
178,0 ±40,1
45,8 ±5,4
19,3 ± 2,2
67,6 ± 8,9
0,46
13,13 ±3,00
40,3 ± 6,3
98,1 ±24,7
87,0 ± 67,0
9,9 ±1,8
46,3 ± 6,8
9,17 ±4,47
8,16 ±1,29
25,3 ±4,7
Встречаются сведения о довольно сильных колебаниях в
микроэлементном составе семян растений в разные годы. Реакция почв и
содержание в них карбонатов являются важными экологическими
факторами, влияющими на состав семян растений (табл. 4. 3).
У растений, выращенных на карбонатных почвах, более низкая
концентрация в семенах кобальта и марганца, а также цинка.
131
Таблица 4. 3
Средняя концентрация элементов в семенах растений
35 видов семейств Asteraceae, Apiaceae, Papilionaceae,
Caryophyllaceae, Rosaceae, Polygonaceae
[модифицировано по: Tyler, Zohlen, 1998}
Элемент
Калий
Рубидий
Магний
Кальций
Марганец
Железо
Кобальт
Медь
Цинк
Молибден
Бор
Фосфор
Сера
Концентрация, мкмоль/г сухой массы
Карбонатные почвы,
рН 7,5-8,5
229
0,14
95
246
0,9
1,3
0,0021
0,17
0,53
0,016
3,4
134
77
Кислые почвы,
рН 4,5-6,0
228
0,32
104
199
1,4
1,3
0,0045
0,19
0,65
0,013
3,3
152
76
В условиях агроценозов содержание микроэлементов в семенах
растений зависит от вида и способов применения макро- и
микроудобрений. Спектр эффектов, вызываемых макроудобрениями,
весьма широк. Под влиянием внесения в почву полного
удобрения (N, Р, К) увеличивается содержание в зерновках озимой
пшеницы марганца и молибдена. Под влиянием фосфорных
удобрений снижается содержание в семенах разных видов растений
железа и цинка. Во многих случаях увеличение содержания
микроэлемента в удобрениях сопровождается его накоплением в
семенах. Масштабы накопления зависят от способа применения
микроудобрений. Так, наиболее существенное запасание молибдена
в семенах люпина происходит при некорневой подкормке этим
элементом, а не при предпосевной обработке семян.
На микроэлементный состав семян влияют взаимоотношения:
синергизм или антагонизм, элементов в системе почва—растение
(см. 3. 1). Например, содержание марганца в зерновках кукурузы
132
CQ О
о &
«и
Is
° В"
U! <? оо
58 .
о Я с
Й Ы 4>
§
§
•у О
а §|
Я 2Н
да rt ..
У £ О
sis
X S §
1«8
О Я05
0> О.
5 S
я *
и «
. о
$£
о
V
X
е
■=*
133
при внесении в почву молибденовых удобрений увеличивается
(синергизм), а содержание железа в зерновках риса и кукурузы при
внесении цинковых удобрений уменьшается (антагонизм).
Фосфор негативно влияет на поступление в семена цинка и марганца,
а сера на поступление молибдена. Конкуренция микроэлементов
происходит не только на стадии их поглощения корнем, но и при
транспорте в растении. Микроэлементы, нанесенные на
поверхность вегетативных органов (некорневые подкормки), влияют на
элементный состав семян. Так, при опрыскивании растений
ячменя соединениями меди в зерновках достоверно снижается
концентрация марганца. В свою очередь, поступление в зерновки меди
ингибируют кобальтовые удобрения.
Несмотря на то что экологические факторы оказывают
существенное влияние на элементный состав семян, растительный
организм может в какой-то мере поддерживать необходимый уровень
содержания минеральных элементов в семенах. Некоторые
элементы, находящиеся в среде в малоподвижной форме,
преимущественно концентрируются в семенах. Такой вывод был сделан на
основании анализа отношения концентраций микроэлементов в
семенах и листьях растений, выращенных на карбонатных и кислых
почвах (рис. 4. 3). В условиях дефицита (карбонатные почвы)
концентрация марганца, железа, бора в листьях уменьшалась в
большей степени, чем в семенах. Как известно, подвижность
указанных элементов в почве очень сильно снижается с повышением рН
среды. В семенах концентрация микроэлементов может
стабилизироваться в результате их перераспределения между
вегетативными и генеративными органами.
4. 2. 2. Распределение
Относительно микроэлементов, в отличие от органических
веществ (белков, углеводов, липидов) и макроэлементов (N, Р, К,
Са, Mg), этот вопрос слабо изучен. Основные сведения
получены на примере зерновок злаков. В зрелых зерновках злаков
наиболее высокие концентрации микроэлементов (расчет на единицу
сухой массы), как правило, регистрируют в тканях семенных
покровов и зародыша, а наиболее низкие в тканях эндосперма
(табл. 4. 4). Высокие концентрации ряда микроэлементов в заро-
134
Таблица 4. 4
Средняя концентрация микроэлементов в различных частях
зерновки кукурузы (Zea mays L.)
Микроэлемент
Fe
Mn
Zn
Концентрация, мг/кг сухой массы
Зародыш
146,1 ±9,8
25,8 ± 3,2
55,6 ± 7,3
Эндосперм
46,6 ± 4,9
13,7 ±2,2
9,1 ± 1,2
Семенные покровы
136,3 ± 10,6
30,2 ±4,4
41,6 ±1,3
Примечание. Концентрация микроэлементов в частях зерновок
определена рентгенофлуоресцентным методом через 24 ч после замачивания
зерновок в воде. Приведены средние для растений семи генотипов,
выращенных в одинаковых условиях. Ошибка ± t sx.
Таблица 4. 5
Концентрация микроэлементов в различных частях зерновки пшеницы
(Triticum aestivum) [модифицировано по: Mazzolini et aL, 1985]
Часть зерновки
Эндосперм
Зародышевый
корешок
Проводящий
пучок
Щиток
Колеориза
Листовое
примордие
Семенные
покровы
Концентрация, мкг/г сухой массы
Мп
(3±1)10
(1,4±0,2)-103
(6,0±0,9)102
(5,7±1)102
(2,0±0,3)102
(2,9 ± 0,5)-102
(5,0 ± 0,9) 102
Fe
<4-10
(2,1±0,8)102
(5 ±2)-10
(5,7 ± 1,0)-102
(1,5 ±0,4). 102
(1,5 ±0,4)-102
(9±2)10
Си
<8
(2±1)-10
(4,0 ±0,8). 10
(8±2)-10
<410
(8±2)Ю
(1,0 ±0,5). 10
Zn
(4±1)-10
(5,5 ± 0,9). 102
(1,2 ± 0,2). 102
(6±1)102
(4,2 ± 0,7). 102
(4,1 ± 0,7). 102
(7±2)-10
Примечание. Концентрации определены с помощью протонного
микроанализа. Ошибка ± 1 sd.
дыше отмечены и для некоторых видов бобовых растений.
Вместе с тем у злаков основным запасающим органом многих
минеральных элементов, в том числе и микроэлементов, служит
эндосперм — самый крупный орган зерновки злаков, занимающий
около 83 % объема всего плода. У кукурузы запасы цинка в
эндосперме и зародыше сопоставимы, что связано с высокой
концентрацией этого элемента в тканях зародыша.
135
а б в
Рис. 4. 4. Основные типы строения зародышей злаков
[модифицировано по: Жизнь растений, 1982].
а — фестукоидный (у ежи —Dactylis)\ 6 — паникоидный (у ветвянки — Brachiaria); в —
эрагростоидный (у травы бизонов — Buchloe).
1 — щиток, 2 — колеоптиль, 3 — почечка, 4 — эпибласт, 5 — зародышевый корень, 6 —
колеориза, 7 — щель между нижней частью щитка и колеоризой, 8 — проводящий пучок.
При использовании сканирующего электронного микроскопа в
комбинации с рентгеновским микроанализом была получена
информация о детальном распределении микроэлементов в пределах
отдельных органов зрелой зерновки (табл. 4. 5). Так, для
пшеницы наибольшая концентрация марганца отмечена в зародышевом
корешке (рис. 4. 4), а наименьшая в колеоризе. Концентрация
цинка выше в щитке, ниже в листовом примордии. Самая
высокая концентрация железа установлена в сосудистом пучке и
щитке, а самая низкая в колеоризе и листовых примордиях.
Неоднородно распределение минеральных элементов и в
эндосперме. В этом органе злаков различают ткань, обогащенную
крахмалом, и алейроновый слой. Обычно алейроновый слой
однорядный, клетки выглядят прямоугольными, однако у Hordeum sativum
он трех- или четырехрядный. В целом форма, размеры, строение
этого слоя варьируют у представителей различных подсемейств и
триб злаков. В алейроновом слое сосредоточены макро- и
микроэлементы, но содержание микроэлементов, как правило, на один-
два порядка ниже, чем макроэлементов.
136
4. 2. 3. Формы
В семенах микроэлементы находятся в ионной и связанной
форме. Металлы-микроэлементы в основном входят в состав фита-
тов — нерастворимых комплексов с различными катионами (Mg2+,
Са2+, К+) фитиновой кислоты или миоинозитолгексафосфата
Q® О®
^ Ко®
Н О [£)
В семенах фитаты являются основным резервом фосфора. В
зависимости от вида растений и органа семян содержание фосфора в
фитиновой кислоте может варьировать от 40 до 86 % общего
фосфора. Фитин встречается главным образом в виде глобоидных
включений внутри белковых тел, имеющих вакуолярное происхождение.
При этом доля фитина в составе глобоидных кристаллов наиболее
высока. Так, в глобоидах изолированных семян хлопка мало белков,
жиров, углеводов, в то время как содержание фосфора составляет 14,
2 %, фитиновой кислоты 60, а минеральных элементов 10 %. В
глобоидах зерновок риса содержится около 67 % фитина, а семян Ricinus
communis 78 %. Глобоидные кристаллы по-разному распределены в
белковых телах, их форма также разнообразна (призмы, друзы).
Зародыш, алейроновый слой, эндосперм, семядоли, щиток
идентифицированы как органы биосинтеза и локализации фитина.
Исключение из злаков составляет кукуруза, у которой до 88 %
фитиновой кислоты сосредоточено в зародыше. Концентрация
фитина в кукурузе колеблется от 3 до 6 мкмоль на 1 г сырой
массы зерновки. В формирующихся зерновках риса фитиновая
кислота синтезируется в алейроновом слое и щитке, а в
крахмалистом эндосперме не образуется. Вероятно, биосинтез фитина
начинается в цистернах эндоплазматического ретикулума, затем фитин
«упаковывается» в транспортные везикулы, которые мигрируют
к вакуолярной мембране и сливаются с ней. На
заключительных этапах биосинтеза частицы фитина накапливаются в полости
вакуоли и формируют глобоид. Биохимические стадии синтеза
фитиновой кислоты до конца не выяснены. Предположительно,
®
137
сначала из глюкозы-6-фосфата формируется миоинозитол-1
-фосфат, к которому присоединяются еще пять фосфорных групп (донор
АТФ) и образуется миоинозитолгексафосфорная кислота
(фитиновая кислота). Переходных форм от моно- к гексафосфорилиро-
ванным формам миоинозитола не выявлено.
Ионы минеральных элементов присоединяются к фитиновой
кислоте в результате взаимодействия с отрицательно
заряженными фосфатными группами. Из минеральных элементов глобоид-
ные кристаллы в наибольших количествах содержат фосфор,
калий и магний, отмечаются также кальций, железо, марганец и
другие микроэлементы. Глобоидные кристаллы из алейронового
слоя пшеницы, удаленного от зародыша, содержат больше
кальция, а вблизи зародыша больше железа.
Хотя минеральные вещества концентрируются главным образом
в глобоидных кристаллах, некоторое количество элементов
непосредственно связывается белками белковых тел. Из последних
выделены, например, Mn-содержащие белки. К металлопротеинам относятся
также лектины, которые кроме марганца могут содержать кальций.
Сведения о формах молибдена в семенах немногочисленны.
Возможно, молибден связывается группой запасных белков, имеющих
к нему высокое сродство. Часть этих белков представляет собой
молибдокофактор (Мосо).
В семенах небобовых (пшеницы, ячменя, табака, огурца и
других культур) Мосо связан с двумя различными по молекулярной
массе белками. Один из них, молекулярной массой около 200 кД,
довольно устойчив, а другой, молекулярной массой около 60 кД,
лабилен. Более высокомолекулярный белок, обнаруженный в
зародышах пшеницы, обладает ксантиндегидрогеназной активностью.
Белок 60 кД локализован в эндосперме и алейроновом слое семян
и, по-видимому, представляет собой форму запасания кофактора.
Значительно содержание Мосо в семенах бобовых (горох,
фасоль, люпин, соя). В покоящихся семенах гороха Мосо обнаружен
в трех основных формах: термостабильных белков,
термолабильных белков и диализируемого низкомолекулярного кофактора. Во
всех выделенных формах Мосо находится в виде
безмолибденового предшественника. Возможно, у бобовых молибден
включается в Мосо при прорастании семян. Об этом свидетельствует
появление активности ксантиндегидрогеназы и нитратредуктазы в
процессе прорастания семян гороха одновременно с исчезновени-
138
ем в них Мосо-белков. Таким образом, Мосо-белки в семенах
выступают донорами активного Мосо в процессе прорастания и, кроме
того, предшественниками Мо-ферментов.
4.3. ПРОРАСТАЮЩИЕ СЕМЕНА
Мобилизация органических и минеральных веществ семян в
онтогенезе высших растений имеет ключевое значение. При
низком содержании в среде элементов питания (особенно
микроэлементов) минеральные резервы семени играют важную роль в
росте и развитии растительного организма.
Например, наиболее информативным показателем
обеспеченности растений молибденом служит его содержание в семенах (а не
в вегетативных органах). Высокая эффективность применения
молибденовых удобрений обеспечивается при содержании
молибдена в семенах сои не выше 2,5 мг/кг. Если в зерновках злаков
концентрация молибдена ниже 0,2—0,4 мг/кг, то у растений
проявляются симптомы дефицита. При концентрации молибдена в
семенах сои больше 5 мг/кг отпадает необходимость применения для
этой культуры молибденовых удобрений. Критический для сои
уровень марганца, ниже которого обнаруживаются симптомы
дефицита, составляет около 20 мг/кг. Адекватные концентрации в семенах
кобальта способствуют предотвращению заболевания люпина
хлорозом при возделывании этой культуры без подкормок кобальтом.
При возделывании культурных растений на бедных (по
микроэлементам) почвах в семенах содержится мало этих элементов
питания. Посев таких семян на дефицитных по микроэлементам почвах
приводит к слабому росту и низкому урожаю растений. Напротив,
использование при посеве на почвах с низким плодородием
обогащенного микроэлементами семенного материала обеспечивает
больший прирост и урожай сельскохозяйственных культур. Для
нормального прорастания семян пшеницы необходимо, чтобы концентрация
в семенах, например, цинка была не меньше 5—10 мг/кг. Кроме того,
растения, выросшие из семян с большим запасом микроэлементов,
характеризуются лучшей устойчивостью к патогенам.
Содержание микроэлементов в семенах йлияет не только на рост
растений, но и на их элементный состав. Так, из зерновок пшеницы
139
с высоким содержанием цинка развиваются проростки,
характеризующиеся низкой скоростью поглощения корнями фосфора и калия.
Такое влияние объясняется снижением конкуренции между
микроэлементом и другими элементами питания в плазматической
мембране на стадии поглощения этих элементов корнем.
Интенсификация поглощения элементов при дефиците цинка в семенах может
быть обусловлена активацией адаптивных механизмов растений,
например выделением фитосвдерофоров у видов стратегии II (см. гл. 6).
Необходимо отметить, что минеральные элементы могут не
только поступать в формирующийся проросток из семян, но и
откладываться в них. При нормальной обеспеченности среды
питательными веществами часть поглощенных проростком
макроэлементов аккумулируется в органах семян (эндосперм, семядоли).
Например, поступление кальция из среды в побег и эндосперм
зерновки кукурузы зависит от дифференцировки сосудов
ксилемы корня. По мере формирования проводящей системы корня
проростка может усиливаться приток кальция в органы зерновки.
В случае достаточной обеспеченности среды минеральными
элементами при сформировавшейся проводящей системе калий,
кальций и фосфор эндосперма, вероятно, не играют существенной роли
в питании проростка кукурузы.
Подвижность и доступность растениям многих
микроэлементов, в отличие от макроэлементов, сильно ограничена, особенно в
почвах карбонатных и высокоокультуренных. Поэтому в
условиях агроценозов резерв микроэлементов в семенах, по-видимому,
важнее для питания проростка, чем запасы макроэлементов.
Снабжение же растений макроэлементами, особенно азотом и калием,
зависит главным образом от внешних источников.
Интенсивная мобилизация запасных веществ в семенах
обычно начинается после прорастания семян (рис. 4. 5). При этом под
прорастанием понимается цепь событий от поглощения
покоящимися семенами воды до проникновения части зародыша (обычно
зародышевого корешка) за пределы окружающих его структур
семени. Усвоение формирующимися осевыми органами зародыша
минеральных элементов зависит от донорно-акцепторных
отношений между органами семени и проростка, а также от
обеспеченности среды минеральными элементами. Кинетика поглощения
проростком запасов минеральных элементов, сосредоточенных в
семенах, определяется физиологическими потребностями зароды-
140
/
Фаза i Фаза II Фаза III /
Мобилизация запас/ых соединений)
Удлинение клето/корня зародыша]
Деление клеток и синтез ДНК[
Репарация ДНК ""^
Синтез белко^^удасдиед щоцъ синтезированных мРНК[
Синтез бел^ев*^ участием сохранившихся мРНК
Репарация митохондрий ■ \
S _ Синтез митохондрий
УтЛка растворов
rzz J .
Время
Рис. 4. 5. Основные события, происходящие при прорастании семян
и после их прорастания [по: Bewley, 1997]
ша, а также интенсивностью превращения (мобилизации)
запасенных форм питательных веществ в растворимые. Мобилизация
резервов минеральных веществ в семенах особенно важна для
обеспечения проростка металлами-микроэлементами. В отличие от
щелочноземельных (Са, Mg) и особенно щелочных (К) металлов
3^-элементы, главным образом железо и медь, а также цинк,
характеризуются повышенной способностью образовывать
устойчивые комплексы с органическими соединениями. Поэтому
свободные формы, т. е. катионы этих металлов содержатся в растениях
в небольшом количестве или вовсе не впречаются.
Динамика транспорта микроэлементов в прорастающих
семенах наиболее детально изучена на примере зерновок кукурузы.
Микроэлементы (Fe, Mn, Zn), как и кальций, в щитке,
эндосперме и семенных покровах прорастающих зерновок кукурузы
мобилизуются с разной интенсивностью (рис. 4. 6). В течение первых
пяти суток прорастания зерновок кукурузы на дистиллированной
воде основной отток мобильных форм железа и марганца
происходит из эндосперма, а цинка из щитка и (несколько меньше) из
семенных покровов. Значительная мобилизация цинка из
эндосперма регистрируется только после четырех и пяти суток
инкубации зерновок на дистиллированной воде. Специфика
мобилизации цинка объясняется, вероятно, особенностями распределения
этого металла в зрелой зерновке. Высокая концентрация цинка
отмечается в щитке и семенных покровах. При этом функциональные
3
э
о
со
щ
К
3
о
5
о
с
о
и
бел
э
х
К
к
3
п
X
р
s
\
141
группы клеточных структур, участвующих в его связывании, по-
видимому, насыщены, что приводит к накоплению в щитке и
семенных оболочках свободных и обменных форм цинка.
По мере роста проростка вклад эндосперма в формирование в
зерновке общего фонда мобильных форм железа и марганца
возрастает. Аналогичная зависимость отмечена и в отношении
накопления в зерновке мобильных форм цинка за счет резервов щитка.
Характерная особенность эндосперма растений различных видов
состоит в том, что в ходе прорастания из этого органа довольно
легко извлекаются многие минеральные вещества, как макро- (К,
Mg, Са, Р), так и микроэлементы (Fe, Mn, Zn). Этот факт
объясняют высокой проницаемостью тканей эндосперма.
60л
.504
§ 404
х I
«Г 2 1
^ 1зо4
Ь g 20-
3
*8
10-|
0<
Эндосперм
Семенные покровы
2 504
8 40-
30'
: S 20H
) о
2
в оч;
Мп
Эндосперм
Семенные покровы
Щиток
2'0 " 4'0 ' 6V 8'0 ' l6o" 1^0"
Время, ч
1 25-
1 '
5 20-
|
Оттс
% от его общего со
О ел О
Zn j
УхЦиток
У Эндосперм
Семенные
покровы
20
40 60 80 100
Время, ч
120
Рис 4 6 Динамика оттока микроэлементов и кальция
из разных частей прорастающей зерновки кукурузы
142
Как упоминалось выше (см. 4. 2. 3), в семенах значительное
количество микроэлементов запасается в фитине, мобилизация
которого зависит от активности фитаз и от реакции среды в фитатсодер-
жащих вакуолях. Ацидофикация вакуолей растительных клеток важна
при прорастании семян. Кислая реакция среды создает необходимые
условия для деградации белка под действием кислых гидролаз, для
гидролиза других соединений. Оптимум для работы фитаз также
находится в кислой области рН. В результате исследований с
использованием метода 31Р ЯМР-спектроскопии было установлено, что
набухание зерновки кукурузы приводит к повышению мобильности
фитина в вакуолях щитка зародыша. Растворимость фитата
максимальна при минимальных значениях рН среды в зародыше, т. е. после
трех-четырех суток прорастания зерновок. Вместе с тем фитазная
активность в этот период крайне низка. Возможно, ацидофикация
фитатов повышает мобильность этих соединений и усиливает их
транспорт из фондов семян в побег и корни проростка.
Соответственно основная деструкция фитатных комплексов
происходит в сформировавшихся в ходе прорастания
вегетативных органах растения, а не в органах семян. Эта гипотеза
основана на фактах аккумуляции фитаз в побегах и корнях пяти—восьми-
суточных проростков кукурузы. Поэтому недостаточно высокий
уровень ацидофикации в клетках зародыша и низкая активность
фитазы, по-видимому, могут ограничивать мобилизацию в
щитке нерастворимых форм микроэлементов, по крайней мере, в
самом начале прорастания зерновок кукурузы.
Из расчетов следует, что даже в условиях голодания фонд
образуемых в прорастающей зерновке кукурузы растворимых форм
микроэлементов, а также кальция лишь частично используется растущими
осевыми органами зародыша. Только через пять суток прорастания
зерновки эффективность утилизации проростком растворимых форм
металлов (Са, Fe, Zn) превышает 90 %. Следовательно, на ранних
этапах прорастания общий фонд микроэлементов и кальция,
мобилизуемых во всех структурах зерновки, оказывается потенциально
достаточным, чтобы обеспечить необходимое минеральное питание
проростка. Вместе с тем существуют лимитирующие факторы: а) скорость
мобилизации минеральных элементов в органах, выполняющих на
том или ином этапе прорастания зерновки функции их основного
источника; б) пространственная разобщенность зародышевой оси
(акцептор) и запасов минеральных веществ в зерновке (донор). У зла-
143
ков наибольшее влияние этих факторов, вероятно, приходится на
начальные этапы прорастания зерновки, когда физиологическая
активность ее структур (щитка, алейрона), участвующих в трансформации
и транспорте запасных веществ, относительно невысока.
На самых ранних этапах прорастания (до двух суток) щиток по
своим потенциальным возможностям может выполнять функцию
основного донора растворимых форм некоторых микроэлементов
(Fe, особенно Zn) для зародышевой оси. Вместе с тем в первые
сутки прорастания образование мобильных форм отдельных
микроэлементов в щитке мало связано, как обсуждалось выше, с
трансформацией в нем нерастворимых соединений этих металлов,
обусловленной работой фитаз и/или ацидофикацией фитатсодержащих
компартментов. Основной отток этих микроэлементов
происходит благодаря легкообменным формам, накопленным в период
созревания зерновки на материнском растении. В связи с этим
резервирование в зародыше мобильных форм микроэлементов
в период созревания зерновки может рассматриваться как путь
формирования генеративных органов у злаков, направленный
на оперативную оптимизацию минерального питания растений
на их ранних этапах развития. Создание в зародыше фонда
мобильных форм микроэлементов — сильных комплексообразо-
вателей (особенно металлов), по-видимому, достигается за счет их
интенсивного концентрирования в тканях. Высокие концентрации
микроэлементов способствуют насыщению функциональных групп
соединений растительной клетки, образующих комплексы с
микроэлементами, и появлению их относительно подвижных форм.
Уровень концентрации микроэлементов в зародыше важен для
роста проростка на гетеротрофной стадии развития. Например,
концентрация в зародышах кукурузы различных генотипов
железа и цинка коррелирует со скоростью роста корней.
Эффективность использования осевыми органами проростка
мобилизованных в прорастающей зерновке микроэлементов зависит
от локализации этих веществ. На ранних этапах прорастания
эффективнее используются микроэлементы, локализованные в
зародыше. У злаков наибольшее количество минеральных элементов
зародыша сосредоточено в его самой массивной части — щитке.
Сухая масса щитка кукурузы достигает 90 % всей массы
зародыша. Щиток является специализированным органом зерновки
злаков, который запасает питательные вещества, выполняет транспор-
144
тную и ацидофицирующую функции, осуществляет связь между
эндоспермом и зародышевой осью. По существу, щиток
представляет собой единственную семядолю зерновок злаков, которая
образуется в результате асимметричного деления клеток предзароды-
ша. По этой причине вторая семядоля остается в зачаточном
состоянии. В зрелой зерновке щиток дорсальной стороной прилегает
к эндосперму, а вентральной охватывает зародыш.
Основную массу щитка составляют паренхимные клетки,
имеющие многоугольно-округлую форму. Цитоплазма клеток
паренхимы содержит многочисленные липидные капли и белковые тела.
Запасные вещества паренхимных клеток исчезают в первые три дня
после начала прорастания зерновок. С осевыми органами щиток
связан единой проводящей системой (рис. 4. 4), что
благоприятствует транслокации из него элементов питания. Позднее, по мере
возрастания потребностей осевых органов в минеральных
элементах и истощения запасов их растворимых форм в щитке,
основное минеральное питание проростка осуществляется вследствие
мобилизации резервов эндосперма, в которой главная роль
принадлежит щитку и алейроновому слою.
В конце XIX в. было известно, что щиток, выполняя
секреторную и всасывающую функции, участвует во внеклеточном
переваривании крахмалистого эндосперма злаков. Мобилизация запасных
веществ эндосперма осуществляется благодаря ацвдофицирующей
способности щитка. По данным С. М. Щипарева с коллегами (1976),
секреция протонов щитком начинается на ранних стадиях набухания
зерновок. В результате после первых 14 ч прорастания зерновок
кукурузы рН гомогенатов эндосперма снижается с 5,6 до 4,8. Подкис-
ление эндосперма происходит неравномерно. Волна подкисления
начинается от зоны непосредственного контакта эндосперма со
щитком. В этой же зоне происходит наиболее интенсивное растворение
эндосперма. В средах с изолированными щитками увеличивается
концентрация многих органических кислот: глюконовой, лимонной,
уксусной, пропионовой, масляной. Функциональная роль этих
кислот в зерновке при прорастании не совсем ясна, однако их
кислотные, а также хелатирующие свойства могут способствовать
растворению резервных форм микро- и макроэлементов в эндосперме.
Секреция Н+ щитками — активный процесс, требующий
затрат энергии. Подавляют секрецию протонов анаэробиоз и
дыхательные яды (малонат, фторид натрия, динитрофенол), стимулируют
145
катионы К+ и Са2+. Конкретные механизмы ацвдофицирующей
деятельности щитка изучены к настоящему времени недостаточно.
Вероятно, в этом процессе участвуют Н+-АТФазы и
окислительно-восстановительные цепи в плазмалемме эпителиальных клеток
щитка. Ингибиторы транспортных АТФаз плазмалеммы (ортова-
надат, ДЭС, ДЦКД) подавляют выделение протонов щитками
кукурузы на 20—40 %. С помощью гистохимического метода
установлено, что изолированные щитки кукурузы восстанавливают
феррицианид, который служит индикатором редокс-цепей,
причем наибольшая феррицианидредуктазная активность отмечается
на поверхности щитка, обращенной к эндосперму.
Восстановление феррицианида сопровождается усилением подкисления
щитками внешней среды, что свидетельствует о выполнении редокс-
цепью функций Н+-помпы. Выделение кислот щитками
стимулируют фитогормоны: ИУК и особенно кинетин в сочетании с ИУК.
Фитогормоны также положительно действуют на секрецию
щитками белков и поглощение Сахаров и аминокислот.
Подкисление эндосперма может происходить и за счет
углекислого газа, выделяемого щитками. Для щитков характерна
высокая интенсивность дыхания, а их дыхательный коэффициент
больше единицы (1,5-1,8). Наибольшая активность декарбокси-
лирующих ферментов отмечена в дорсальной части щитка,
прилегающей к эндосперму.
Ацидофикация эвдосперма опережает активную секрецию в него
а-амилазы и других гидролаз. Функциональное значение такого
опережения состоит в оптимизации реакции среды для работы
кислых гидролаз. Кроме того, подавляется активность белковых
ингибиторов амилазы и усиливается работа систем эпителиальных
клеток, ответственных за транспорт продуктов гидролиза эндосперма.
На ранних этапах прорастания зерновок пониженная
всасывающая способность щитка может лимитировать поглощение им
минеральных веществ из эндосперма. По мере роста растений
всасывающая функция щитка и соответственно поглощение
минеральных веществ из эндосперма, вероятно, усиливаются.
В алейроновом слое эндосперма резервы (в том числе
минеральные) и ферменты для их утилизации сосредоточены в вакуолях.
Клетки алейронового слоя секретируют различные
гидролитические ферменты. Это р-глюконаза и ксилоназа, которые разлагают
клеточные стенки эндосперма, а-амилазы, другие гликозидазы,
146
протеазы, пептидазы, кислые фосфатазы, ДНКазы, РНКазы,
последовательно разрушающие содержимое клеток эндосперма.
Деградация эндосперма начинается вблизи зародыша, а затем
распространяется по всей зерновке, что сопровождается увеличением
активности ос-амилазы в призародышевой части эндосперма.
Поскольку для работы гидролаз оптимален узкий (кислый)
интервал рН, активность этих ферментов регулируется в
основном реакцией среды. Низкий уровень рН не только активирует
работу вакуолярных гидролаз, но и создает электрохимический Н+-
градиент в тонопласте, способствующий вторичному транспорту
резервов вакуоли в цитозоль. При этом аминокислоты,
образующиеся вследствие гидролиза запасных белков вакуолей алейрона,
используются для синтеза гидролаз de novo. Неорганические ионы,
появляющиеся при разрушении вакуолярного фитина алейрона,
поступают в эндосперм.
У растений известны два типа Н+-переносящих фосфогидро-
лаз в тонопласте: вакуолярная АТФаза (В-АТФаза) и вакуолярная
пирофосфатаза (В-ПФаза). В то время как В-АТФаза обнаружена в
эвдомембранах всех эукариот, В-ПФаза имеется только у растений.
Активность этих ферментов регулируется фитогормонами. Гиб-
береллины (GA3) стимулируют вакуолярную ацидофикацию
алейрона, тогда как абсцизовая кислота (АБК) не оказывает
значительного влияния на этот процесс. После шестичасовой инкубации в
растворах GA3 значения рН среды в вакуолях клеток алейрона
ячменя могут снижаться от 6,7—7,0 до 5,6—5,7. Механизм
стимулирующего действия гибберелинов на ацидофикацию алейрона
связывают скорее с активацией работы Н+-помпы, чем с увеличением
количества белков помпы в вакуолярной мембране. В-ПФаза не
задействована в стимуляции подкисления среды вакуолей при обработке
GA3. Гибберелины повышают концентрацию цитоплазматического
Са2+ в клетках алейрона злаков с 50—200 до 300-600 нмоль/л. В то
же время активность В-ПФазы ингибируется Са2+, но ингибирую-
щий эффект Са2+ устраняется высокими концентрациями Mg2+,
запасы которого содержатся в вакуолях этих клеток. Поэтому в
клетках алейрона регуляция В-ПФазы катионами может быть
комплексной. Вопросы влияния гибберелинов на изменение концентрации
кальция в вакуоли требуют дальнейшего изучения.
Гидролитическую активность алейронового слоя жестко
контролирует рост зародыша. Посредниками в этом процессе служат
147
фитогормоны, в основном гибберелины и абсцизовая кислота,
известные как антагонисты. Гиббереллины, секретируемые
зародышем, усиливают, а АБК подавляет синтез и активность гидро-
лаз алейроновым слоем. Регуляция фитогормонами
гидролитической активности алейрона тесно связана с регуляцией
концентрации ионов кальция и рН в цитозоле, а также с экспрессией гена
а-амилазы алейронового слоя. Индуцируемые гибберелинами
высокая концентрация Са2+ в цитозоле и низкое значение рН
благоприятны для секреции и активации гидролаз. АБК, напротив,
вызывает понижение концентрации ионов кальция в цитозоле и
повышение значения рН в клетке.
После завершения секреторных функций клетки алейрона
отмирают. Их гибель рассматривается как запрограммированная
(апоптоз). Характерные черты апоптоза — сжатие ядра,
конденсация хроматина, разрыв ДНК. Процесс апоптоза эволюционно
консервативен и играет существенную роль в эмбриогенезе и
развитии. У растений апоптоз наблюдается под действием стресса и
грибной инфекции. При прорастании зерновки наиболее
интенсивная фрагментация ДНК происходит в частях алейрона вблизи
зародыша. В запуске апоптоза могут участвовать гибберелины,
выделяемые зародышем. Апоптоз клеток алейрона, вероятнее всего,
обусловлен, по аналогии с клетками млекопитающих,
интенсивной секрецией в нем гидролаз, особенно протеаз, под влиянием
гибберелинов зародыша. Осмотический стресс, возникающий в
зерновке при накоплении в ней продуктов деградации крахмала, не
рассматривается в качестве возможного триггера апоптоза.
Возможно, при неблагоприятных условиях вступление алейрона в
состояние апоптоза предотвращает АБК через регулирование
активности и синтеза гидролаз, например в результате изменения
концентрации кальция и/или рН в клетке.
Эффективность перераспределения минеральных элементов
между органами прорастающего семени и проростка варьирует в
зависимости от вида растений и природы элемента. Из семядолей
в осевые органы развивающегося люпина может поступать до 90 %
фосфора, калия и серы, до 60-90 % магния, железа, цинка,
марганца, но только 25—30 % кальция. Пастбищные травы и
бобовые используют семенные резервы фосфора, железа и серы более
эффективно, чем азота и калия.
5. КОМПЛЕКСЫ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
В главе дана общая характеристика процессов ком-
плексообразования и химических свойств комплексов.
Приведены примеры наиболее важных комплексов
микроэлементов в растениях и почвах. Рассмотрена
специфика усвоения комплексонатов микроэлементов
корнями и побегом растения. Идентифицированы свойства
комплексов, определяющие эффективность их усвоения
растительным организмом. Описаны основные
принципы подбора физиологически активных форм
комплексонатов микроэлементов при проведении корневых и
некорневых подкормок культурных растений.
5.1. СВОЙСТВА КОМПЛЕКСОВ
5. 1.1. Общие сведения. Химические свойства
Большей части микроэлементов в силу их
физико-химических свойств присуща очень высокая реакционная способность
к образованию комплексов (комплексонатов) с органическими
веществами. Не случайно поэтому в растениях основное
количество микроэлементов представлено в виде комплексных
соединений. В почве комплексообразование также играет важную
роль, определяя в значительной степени мобильность и
доступность соединений микроэлементов растениям. Рассмотрение
свойств комплексов необходимо для понимания многих
процессов, происходящих с участием микроэлементов в системе
растение—почва.
Первоначально термином комплексоны, предложенным
немецким ученым Г. Шварценбахом (1945), называли органические
лиганды группы полиаминполиуксусных кислот, в составе
которых находятся иминодиацетатные фрагменты, связанные с
149
алифатическими и ароматическими радикалами. Позже к комп-
лексонам стали относить аналогичные по строению и свойствам
соединения с более широким спектром функциональных групп:
алкилфосфоновые, алкиларсоновые, алкилсульфоновые, и атомов:
фосфор (III), сера (II), селен (II), теллур (II). В настоящее время
термином комплектны обозначают обширную группу
органических веществ с кислыми и основными донорными центрами,
образующих с катионами металлов не менее двух замкнутых
циклов. В зарубежной литературе большее распространение
получили термины «хелаторы», «хелатирующие агенты». Термином хелат
(от греческого chele — клешня), предложенным Г. Морганом (1920),
или комплексонат обозначают циклические структуры, которые
образуются в результате присоединения катиона к двум или
более донорным атомам, принадлежащим одной молекуле хелати-
рующего агента.
Способность при взаимодействии с микроэлементами
образовывать устойчивые циклические структуры физиологи растений
рассматривают как наиболее важное свойство комплексонов.
В реакциях комплексообразования участвуют такие структурные
компоненты комплексонов как донорные атомы и их попарные
связки — «клешни». Образование хелатного комплекса, например
с микроэлементом, происходит только тогда, когда катион
одновременно касается того и другого донорного атома. При этом хорда,
соединяющая два соседних атома «клешни», не должна пересекать
никаких других химических связей, а ее длина не должна
превышать 0,4 нм. К центральному атому лиганды присоединяются
двуцентровыми а-, я-, 5-связями и многоцентровыми связями.
Химическая связь между центральным ионом и лигандом
образуется только при условии соответствия симметрии орбиталей
металла (Л/) и лиганда (L), например, донорные орбитали (а или я)
взаимодействуют с аналогичными акцепторными. При этом
центральный ион может выступать в роли как акцептора, так и
донора электронов.
Число атомов или их групп в молекуле лиганда,
координируемое центральной частицей в данном соединении, называется
координационным числом (КЧ). Если связи между ядром и лигандом
двуцентровые, то КЧ равно числу образуемых центральной
частицей связей, т. е. числу непосредственно связанных с ней донор-
ных атомов лиганда. В обобщенном виде реакция образования
150
хелата с участием металла (М) и лиганда (L) может быть
представлена в следующем виде:
[М(Н20)х]а+ + Lm~ ~ [М(Н20)уЦ nm + (х - у) Н20.
Количественной характеристикой этого равновесия служит
термодинамическая константа устойчивости ((3°)
во = Ощ^ = [ML]_ J^ v^_
Р aMaL [MIL] yMyL УМУ,
где а — активность иона, у — коэффициент активности иона.
Термодинамическая константа равновесия — мера изменения
стандартной свободной энергии Гиббса А (7°, энтальпии Д#° и
энтропии AS ° комплексообразования:
-ДПпрв = AG° = Д#° - TAS°.
Определение коэффициентов активности ионов технически
затруднено. Поэтому для количественной оценки реакции
комплексообразования вместо термодинамических констант используют стехи-
ометрические (концентрационные) константы устойчивости (А),
выражающие отношение не активностей, а концентраций реагентов:
к- lML]
[M][L]
Сравнение концентрационных констант устойчивости между
собой допустимо при одинаковой величине ионной силы
раствора (ц), создаваемой одним и тем же электролитом.
При расчете условных констант устойчивости вводят поправку
на побочные реакции, например образование протонированных
форм лиганда (HL9 H2L ... Нх£), гидроксокомплексов (Af(OH)Z,),
гидролиз ионов металла (Af(OH)x), протонированных комплексов
(MHL):
о_ Дд/i _ [ML] аш
151
где аЦН)> Яадон» aML — коэффициенты активности побочных
реакций протонирования лиганда, образования гидроксокомплексов и
гидроксокомплексонатов. Условная константа устойчивости явля-
ется функцией рН и позволяет определять оптимальный
интервал рН, при котором происходит комплексообразование с
определенным катионом.
Важнейшее свойство хелатов — устойчивость к диссоциации на
металл и лиганд, зависит от многих сопряженных между собой
факторов, идентификация которых в чистом виде весьма
затруднена. Наибольшее значение имеют природа хелатора и катиона.
Существенное влияние на прочность хелатов оказывают гибкость
молекулы лиганда, величина ее заряда, состав и число донорных
центров, а также способы их сочленения в молекуле лиганда. К
наиболее существенным характеристикам центрального иона относят
степень его окисления и размер, строение электронных оболочек.
Широкий диапазон изменения значений перечисленных
параметров затрудняет выявление общих закономерностей устойчивости
комплексных соединений, весьма разнообразных по составу. Вместе
с тем для отдельных групп комплексонатов все же установлен ряд
параметров, определяющих устойчивость хелатных комплексов:
дентатность лиганда, размер хелатного цикла,
электростатический фактор.
Дентатность лиганда. Под дентатностью, или координационной
емкостью подразумевают число донорных атомов комплексона,
образующих в данном соединении координационные связи. Иными
словами, речь идет о количестве мест, которые занимает лиганд в
координационной сфере конкретного хелатного комплекса.
Истинная дентатность, проявляемая комплексоном в водном растворе по
отношению к катиону, известна для ограниченного числа
соединений. Обычно выражают зависимость lg KML от потенциальной
дентатности лиганда, рассматривая каждую донорную группу или
атом как монодентатные. При сравнении констант устойчивости
в ряду однотипных лигандов установлено, что с увеличением
дентатности комплексонов устойчивость их хелатов, как правило,
повышается до насыщения координационной емкости.
Размер хелатного цикла. Реакция комплексообразования
между металлом и лигандом сопровождается замыканием циклов,
одним из звеньев которых выступает ион металла (А/).
Устойчивость индивидуального хелатного цикла зависит от его размера
152
и напряженности. Наибольшей устойчивостью характеризуются
пяти- и шестичленные циклы.
С — С
/ \
N N
Этилендиаминовый цикл Глициновый цикл
Четырехчленные хелатные циклы наименее устойчивы. Низкая
устойчивость последних обусловлена в основном стерическими
эффектами, в частности увеличенной напряженностью валентных
углов, измененной длиной связи и конформацией. Циклы с
числом звеньев выше шести, как правило, малоустойчивы.
Электростатический фактор. В реакциях комплексообразования
практически всегда действуют силы, которые рассматривают как
чисто ионные. С возрастанием напряженности поля
центрального катиона, увеличением его заряда и уменьшением радиуса
устойчивость хелатных комплексов повышается. Донорные атомы с
большими значениями отрицательного заряда характеризуются
большим сродством к катионам. Поэтому протонированные
комплексы, как правило, менее устойчивы к диссоциации по
сравнению с их нормальными формами. Следует, однако, отметить, что
соответствие параметров (донорно-акцепторных, стереохимических
и др.) центрального иона и лиганда приводит к эффективному
конкурированию ионов металлов с протонами за донорные
атомы, которые в отсутствие ионов металлов в водных растворах
не депротонируются (атом азота в пептидах) или депротониру-
ются в сильно щелочной среде (пиррольный азот в имидазоле,
гистидине, гетероатомы азота в пуриновых и пиримидиновых
основаниях нуклеотидов). В результате рА'депротонирования
может снижаться на несколько порядков. Конкуренция металлов
(Pb2+ > Pt2+ > Cu2+ > Ni2+ > Со2+ > Zn2+) с Н+ за азот пептидной
группы снижает рН депротонизации с 13 до 3—6, Образование
комплексов триптофана с Си2+ может происходить даже в
кислой среде (рН < 3), хотя в отсутствие этого иона его
рА"превышает 13. Понижение эффективного заряда катиона происходит
с-с'"
/ \
N О
О
153
и при появлении ионов гидроксила в составе комплексоната, что
способствует его распаду.
Катионы переходных Зё-металлов, к которым относится
значительное число микроэлементов, образуют в двухвалентном
состоянии нормальные комплексы со многими комплексонами. Для
большинства лигандов при обычных условиях сохраняется единый
порядок изменения устойчивости комплексонатов (ряд Ирвинга-
Вильямса):
Са2+ < Mg2+ < Mn2+ < Fe2+ < Со2+ < Zn2+ < Ni2+ < Cu2+.
Изменения констант устойчивости комплексов микроэлементов
симбатны изменению энергии их 3*/-атомных орбиталей.
В отличие от многих микроэлементов щелочноземельные и
особенно щелочные элементы обладают значительно меньшей
комплексообразующей способностью. Не случайно поэтому калий
в растениях в основном содержится в виде свободных ионных
форм. Изменение степени окисления 3*/-элементов сопряжено с
существенным уменьшением или увеличением устойчивости хе-
латов. Например, трехвалентные катионы марганца, железа,
кобальта образуют с одними и теми же лигандами комплексы
приблизительно на 10 порядков более устойчивые, чем двухвалентные
катионы этих металлов.
Изменение состава донорных атомов и строения лигандного
контура существенным образом влияет на общую устойчивость
комплексонатов и на относительную селективность действия хе-
латоров на микроэлементы. Под селективностью
подразумевается способность молекулы лиганда формирЬвать комплексы с
определенными ионами центральных атомов. Обычно аминокарбо-
новые комплексоны образуют более устойчивые комплексы, чем,
например, лиганды с фосфоновыми группами. Однако
селективность последних в ряде случаев выше, чем селективность первых.
Введение в контур лиганда серы вместо азота резко снижает
значения KML и нивелирует различия между катионами переходных
3 ^-элементов.
Электростатический фактор не относится к определяющим при
образовании комплексов с ковалентной связью, однако и в этом
случае с увеличением степени окисления катионов устойчивость
их комплексов, как правило, возрастает.
154
5.1. 2. КОМПЛЕКСЫ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ
И РАСТЕНИЯХ
В почвах, особенно в их верхних корнеобитаемых горизонтах
значительное количество микроэлементов находится в форме
комплексных соединений с гуминовыми веществами. Химическая
природа гуминовых веществ окончательно не установлена, что
обусловлено их чрезвычайно сложной молекулярной структурой.
По мнению большинства исследователей, гуминовые вещества
представляют собой полимеры с широким интервалом молекуляр-
но-массового распределения, их структурные фрагменты состоят
из ядра ароматической природы и нерегулярных периферических
открытых цепей. Длина соединительных цепей между
структурными единицами в большинстве случаев соответствует сумме трех—
пяти углерод-углеродных связей. В реакциях комплексообразова-
ния с металлами принимают участие карбоксильные и
карбонильные функциональные группы, фенольные и спиртовые гидроксилы,
азотсодержащие и другие структурные фрагменты гуминовых
веществ. Высокая обменная емкость гумусовых веществ главным
образом обусловлена карбоксильными и фенольными оксигруп-
пами в их составе, выполняющими основную роль в образовании
комплексов с ионами металлов.
Сведения об устойчивости соединений металлов с
органическим веществом почвы весьма противоречивы. Приведем
ориентировочные интервалы значений констант устойчивости (IgiT) для
гуминовых веществ [по: Орлов, 1990], где минимальные
величины lg AT измерены при рН 2-4, максимальные при рН 8-10.
Гуматы lg К Фульваты lg К Фульваты lg К
ГК-Fe
ГК-Си
ГК-Zn
ГК-Cd
ГК-РЬ
2,4-9,8
7,0-9,7
2,9-10,8
6,9
8,7
ФК-Mg
ФК-А1
ФК-Са
ФК-Мп
ФК-Fe
1,2-2,1
6,5
2,0-2,9
1,5-3,8
5,1-6,1
ФК-Со
ФК-Ni
ФК-Си
ФК-Zn
ФК-РЬ
2,2-3,7
3,5-4,1
3,2-8,7
1,7-9,3
3,1-6,1
Величины констант устойчивости варьируют в зависимости от
почвенных условий, метода измерения и выбранных значений
молекулярных масс. С повышением рН устойчивость органоми-
неральных комплексов, как правило, возрастает.
155
Определение строения соединений, образуемых в результате
взаимодействия гуминовых веществ с металлами, входит в число
наиболее трудных задач почвоведения. Органоминеральные
комплексы почв весьма разнообразны по форме. Идентифицированы
как внутри-, так и внешнесферные комплексы с металлами. В
результате даже простые ряды сродства катионов к гуминовым
кислотам могут существенно варьировать в зависимости от свойств
почвы и методов исследования. Поэтому для прогнозирования
взаимодействия металлов с гуминовыми веществами рекомендуется
пользоваться частными рядами устойчивости органоминеральных
комплексов, установленными для конкретных почв. Приведем
примеры возможных взаимодействий металлов с гуминовыми и фуль-
вокислотами (рис. 5. 1).
Основной миграционной формой многих микроэлементов в
почвах и природных водах являются относительно прочные
растворимые фульватные комплексы анионного типа. Эти
соединения играют важную роль в минеральном питании растений. В
результате экспериментов с 59Fe, например, было установлено, что
при оптимальных концентрациях доступность растениям Fe-фуль-
ватных комплексов сопоставима с доступностью Fe-цитрата.
В реакциях комплексообразования с микроэлементами
принимают участие различные органические соединения, содержащиеся
в растениях: аминокислоты, пептиды, белки, нуклеиновые
кислоты, органические кислоты, липиды. В «физиологическом»
диапазоне значений рН аминогруппа в молекуле аминокислоты
обычно бывает протонирована, а карбоксильная ионизирована.
Во взаимодействии с металлом участвуют амино- и
карбоксильные группы, а также группы, встречающиеся в боковых цепях,
например в серине и тирозине ОН-, в цистеине SH-группа.
Некоторые аминокислоты, имеющие в боковой цепи электрондонор-
ную группу, способны играть роль тридентатных лигандов по
отношению к металлу. Форма и размеры боковой цепи
определяют пространственные эффекты в реакциях хелатирования.
Пептиды представляют собой производные аминокислот,
образующиеся в результате конденсации двух и более аминокислот,
сопровождающейся выделением воды. В пептидах донорами
электронной пары для иона металла могут быть кроме аминной и
карбоксильной групп азот пептидной связи и сера. Реакции комплексооб-
разования с участием пептидов играют важную роль в механизмах
156
с_о—м—он
+ н^
0"Na+
I
Y— Y
I + Мл + (Н20)х *± 1
\А \А
он
0~Na+ H
I I
с=о:..н—омп
он
Рис. 5. 1. Вероятные механизмы взаимодействия гуминовых
и фульвокислот с металлами [Schnitzer, 1986, цит. по: Орлов, 1990]
устойчивости растений к действию высоких концентраций
металлов. Известны две основные группы пептидов, способных
существенно снижать фитотоксичность металлов: металлотионеины и
фитохелатины.
Металлотионеины представляют собой низкомолекулярные
полипептиды, богатые цистеином, он и обладает высоким сродством
157
к меди. Этот металл индуцирует образование металлотионеинов.
Уровень экспрессии гена МТ 2, кодирующего синтез
металлотионеинов, коррелирует с устойчивостью растений к меди.
Фитохелатины также относятся к группе низкомолекулярных
пептидов, обогащенных цистеином. Они могут участвовать в де-
токсикации не только меди, но и кадмия.
В белках донорные атомы для ионов металлов такие же, как
и в пептидах. Строение важнейших ферментных белковых
комплексов рассмотрено выше (см. 3.2).
В последнее время интенсивно изучаются реакции комплексо-
образования с участием нуклеиновых кислот и нуклеотидов. В
формировании хелатных структур могут принимать участие
атомы азота азотистых оснований, кислород фосфатных групп и гид-
роксильных групп рибозы. При взаимодействии катионов
металлов с фосфатными группами возможно формирование структур
нескольких типов.
1. Хелатный комплекс с двумя атомами кислорода одной фос-
фоновой группы, формирование которого сопровождается
образованием четырехчленных циклов. Такие циклы довольно
устойчивы только с катионами большого радиуса:
О
2. Восьмичленные циклы, образующиеся в случае
взаимодействия катиона металла с атомами кислорода двух фосфатных групп
одновременно, которые могут упрочняться
внутримолекулярными связями с участием молекул воды:
.0 М О
*о —м or
3. Полимерные структуры, в которых лиганд служит
мостиком между катионами. В этой реакции комплексообразования
могут быть задействованы все три атома кислорода фосфатной
группы.
Важная роль в регуляции поглощения и транспорта
микроэлементов в системе растение—почва принадлежит комплексам мик-
158
роэлементов с органическими кислотами. В реакциях комплексо-
образования участвуют карбоксильные, спиртовые и кетогруппы
органических кислот. Информация о влиянии органических, а
также аминокарбоновых кислот на питание растений
микроэлементами приведена ниже (см. гл. 6).
5. 2. УСВОЕНИЕ КОМПЛЕКСОВ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
РАСТЕНИЯМИ
5. 2.1. Корень
Комплексонаты (хелаты) рассматривают как одну из основных
форм содержания микроэлементов в ризосфере корня (см. гл. 6).
Поэтому целесообразно рассмотреть наиболее важные для
минерального питания растений свойства хелатов. Приведем
структурные формы некоторых синтетических хелаторов (рис. 5. 2) и
константы устойчивости их комплексов с металлами (табл. 5. 1).
Основные закономерности усвоения корнями растений комплексов
микроэлементов установлены с использованием природных и
синтетических Fe-хелатов, многие из них широко используются в
растениеводстве при возделывании растений на карбонатных
почвах и в условиях гидропоники.
КОМПЛЕКСЫ ЖЕЛЕЗА
Влияние комплексонов на корневое питание растений железом
представляет собой сложный процесс, биологическая
эффективность которого определяется множеством факторов, прежде всего
обеспеченностью растений железом. При нормальном содержании
железа в питательном растворе природа лиганда практически не
влияет на физиологическую эффективность Fe-комплексов,
определяемую по действию хелатов на содержание хлорофилла в
листьях и биомассу растений. Об этом свидетельствуют
идентичные характеристики формирования биомаёсы и концентрация
хлорофилла в листьях растений, которые выращены на растворах,
содержащих разные Fe-хелаты в достаточном количестве (рис. 5. 3).
159
/СН2СООН
N—CH2COOH
\сн,соон
/СН2-Р(0)(ОН)2
(НТА) N-CH2-P(0)(OH)2
чСН2-Р(0)(ОН)2
(НТФ)
CH2NHCH2COOH
(ЭДДА) CH2N
I
CH2NHCH2COOH
/СН2СООН
CH2N
I Ч:н2соон (ЭДТА)
I /CH2COOH 1 М ;
CH.N
" чСН2СООН
/СН2-Р(0)(ОН)2
Ч:н2-Р(0)(он>2 ,эдтф.
/СН2-Р(0)(ОН)2 ^А,^>
CH2N
Ч:Н2-Р(0)(ОН)2
СН3
(ОН)2(0)Р-^-Р(0)(ОН) (ОЭДФ)
он
/СН2СООН
CH,CH2N
I " \:н,соон
N-CH2COOH (ДТПА)
| /СН,СООН
CH2CH,N
* Ч:н2соон
Рис. 5. 2. Структурные формулы некоторых хелатирующих агентов
В условиях Fe-дефицита наблюдаются иные закономерности,
которые имеют свою специфику в зависимости от реакции среды.
Кислая среда. В кислых средах наибольшая биологическая
эффективность присуща фосфорсодержащим комплексам (Fe-ОЭДФ),
а наименьшая аминокарбоновым (Fe-ДТПА и Fe-HTA) (рис. 5.4).
При этом не выявлено корреляции между устойчивостью
комплексов к диссоциации и их физиологической эффективностью.
Разрушение Fe-хелатов в кислой питательной среде происходит с
меньшей интенсивностью, в частности, вследствие снижения
вероятности образования гидроксокомплексов железа и хелатов
щелочноземельных (особенно Са) металлов. Поэтому достаточная для
растений с различными типами (стратегия I, И) адаптации к Fe-
дефициту (см. гл. 6) растворимость соединений железа может
достигаться в кислых растворах даже при использовании Fe-хелатов
с относительно невысокой устойчивостью. Вместе с тем при низг
кой концентрации в питательной среде хелатированного железа его
160
Таблица 5. J
Значения \%Кшхелатов при 25 °С и ионной силе раствора ц — 0,1
[по: Дятлова и др., 1988]
Лиганд
НТА
ЭДДА
ЭДТА
ДТПА
НТФ
ЭДТФ
ОЭДФ
Mg2+
5,47
3,95
8,83
9,34
Нет
данных
8,63
6,6
Са2+
6,39
Нет
данных
10,61*
10,75
Нет
данных
9,33
6,0
Мп2+
7,46
7,05
13,81
15,51
10,2
Нет
данных
9,2
Fe2+
8,33*
Нет
данных
14,27
16,4
Нет
данных
»
9,1
Fe5*
15,9
Нет
данных
25,0
28,0*
14,60*
21,37
Нет
данных
16,3
Со2+
10,38
11,25
16,26
19,15
14,4
17,36
9,4
CuJ+
12,94
16,2**
18,70
21,38
17,8
23,0
12,5
ZnJt
10,66
11,22
16,44
18,19
Нет
данных
19,52
10,7
Примечание Температура 20°С; **30°С
усвоение корнем могут ограничивать силы электростатического
отталкивания между одноименно заряженными Fe-комплексами и
корневой поверхностью.
Следует отметить, что процессы физико-химической адсорбции
играют важную роль в поглощении растением микроэлементов.
Приоритет в аккумуляции катионов из почвенных растворов с
низким содержанием ионов принадлежит клеточным оболочкам,
участвующим в создании запасного фонда микроэлементов в
клетке. Прочному удерживанию поверхностью корня катионов металлов
способствует отрицательный заряд клеточных стенок,
обусловленный депротонированными карбоксильными группами
полисахаридов. Клеточные стенки способны накапливать катионы
металлов. Наибольшее накопление на поверхности клеточных стенок
катионов происходит при их относительно невысоких
равновесных концентрациях в растворах (табл. 5. 2). Незначительное
содержание в клеточной оболочке карбоксильных групп создает
предпосылки для высокой потребности культуры в микроэлементах.
Накопление микроэлементов на поверхности корней может
происходить в ввде малодоступных для транслокации в надземные
органы растений соединений, что весьма характерно для минеральных,
солей железа, образующего нерастворимые в воде гидроксиды в
широком диапазоне «физиологических» значений рН растворов.
161
is
it
и
5p
4h
3h
Горох
HCP(
05
Ячмень
I hcp05
t
4Г ^
w« 3
>s
о
_ о
HCR
05
Ihcp(
05
4 5
4
Л/с. 5. J. Содержание хлорофилла в листьях и формирование
биомассы гороха и ячменя под влиянием хелатирующих агентов
разной природы при достаточной обеспеченности растений железом
[по: Битюцкий, 1995].
Корневое питание, рН питательных растворов 5,6; Fe : L - 1:1; концентрация
железа в опытах с ячменем 3,57 • 10 \ в опытах с горохом 7,14 • 10'5 моль/л.
- Fe-ДТПА, 2 - Fe-ЭДТА, 3 - Fe-HTA, 4 - Fe-ЭДТФ, 5- Fe-НТФ, 6 - Fe-ОЭДФ.
В составе хелатов катионные свойства металлов маскируются,
что способствует снижению уровня их накопления на
поверхности корня. Однако при малой концентрации металла в растворе
электростатический фактор может лимитировать контакт корневых
систем с обычно отрицательно заряженными молекулами хелата
и нарушать процесс их метаболизации. На примере бора, ванадия,
молибдена и других элементов установлено, что отрицательно
заряженные поверхности клеточных стенок замедляют поглощение
анионов микроэлементов из растворов с их пониженным
содержанием. Возможно, различия в эффективности действия Fe-xe-
латов в кислой среде обусловлены разными величинами их заря-
162
Огурец
рН 5,6 рН 8,0
1234 12 3 4
Wa Хлорофилл
12 3 4 12 3 4
\\ Масса
Рис. 5 4 Содержание хлорофилла в листьях и формирование
биомассы растений огурца и ячменя при низкой обеспеченности
железом под влиянием хелатирующих агентов и рН среды
[по* Битюцкий, 1995].
Корневое питание, С = 4,5 10 6 моль/л 1 — Fe-ДТПА, 2 — Fe-HTA, 3 -Fe-НТФ,
4— Fe-ОЭДФ рН 8 создавали внесением NaHC03 в раствор, рН 5,6
дов и, следовательно, их разной способностью адсорбироваться
поверхностью корня.
Как известно, заряд хелата определяется основностью
органического лиганда, значениями его констант протонирования (рА),
степенью окисления катиона. Карбоксильные группы характеризуются
163
Таблица 5. 2
Прочность связи цинка с клеточными оболочками корней гороха
и кукурузы, лишенными некоторых компоненов
[по: Каракис и др., 1989]
Оболочки
Без пектиновых
веществ
Без пектиновых
веществ
и гемицеллюлоз
Без
карбоксильных
групп
Без пектиновых
веществ
Без пектиновых
веществ
и гемицеллюлоз
Без
карбоксильных
групп
Десорбция
водой
Раствор
Остаток
Раствор
Остаток
Раствор
Остаток
Раствор
Остаток
Раствор
Остаток
Раствор
Остаток
Концентрация цинка, моль/л
5-Ю-6
мг • экв /г
0
0,19 ± 0,02
0
0,08 ± 0,01
0
0,15 ±0,04
0
0,24 ± 0,01
0,01 ± 0
0,11 ±0,01
0,01 ± 0
0,11 ±0,01
%
5-10-4
мг • экв /г 1 %
Горох
0
100
0
100
0
100
0,34 ± 0,06
4,93 ± 0,07
0,09 ± 0,01
1,02 ±0,11
0,36 ± 0,02
1,09 ±0,07
6,4
93,6
8,1
91,9
2,5
97,5
Кукуруза
0
100
8,3
91,7
8,9
91,1
0,48 ± 0,03
2,40 ± 0,07
0,20 ± 0,01
0,76 ± 0,40
0,06 ± 0,01
0,36 ± 0,02
16,6
83,4
20,9
79,1
14,8
85,2
низкими значениями рАГ, что свидетельствует об их способности
диссоциировать в сильно кислых растворах. Поэтому при
«физиологических» значениях рН с увеличением числа карбоксильных
групп в молекуле хелатирующего агента будет возрастать не только
устойчивость образуемых хелатов, но и их отрицательный заряд.
В группе аминокарбоновых хелатов (рис. 5. 2), широко
используемых в практике растениеводства, максимальные величины
отрицательного зарада отмечены для комплексов Fe-ДТПА и Fe-ЭДТА,
содержащих в своем составе наибольшее число карбоксильных
групп. Относительно высокий отрицательный заряд этих
комплексов — основная причина их слабой абсорбции корнями (рис. 5.4),
а следовательно, и слабого антихлорозного действия. На примере
164
железофульватных комплексов также установлено, что наиболее
доступны для растений (пшеница) положительно заряженные Fe-
фульваты.
Два протона в составе фосфоновой группы обусловливают ее
большую потенциальную основность. Так, нитрилтриметилен-
фосфоновая (НТФ) и этилендиамйнтетраметиленфосфоновая
(ЭДТФ) кислоты — фосфорсодержащие аналоги трех- и
четырехосновных нитрилтриуксусной (НТА) и этилендиаминтетра-
уксусной (ЭДТА) кислот, являются соответственно шести- и
восьмиосновными кислотами. Однако фосфоновые группы, в
отличие от карбоксильных, характеризуются существенно более
высокими значениями рКи повышенным сродством к
протону. Например, гидроксиэтилидендифосфоновая кислота (ОЭДФ)
четырехосновна, но диссоциации ее гидроксигруппы с
отщеплением Н+ не наблюдается, по крайней мере до рН 13.
Поэтому фосфоновые группы в составе лиганда, особенно если их
немного, как например у ОЭДФ, создают благоприятные
условия для формирования Fe-хелатов с низкими отрицательными
зарядами, что способствует лучшей абсорбции корнем железа в
функционально активной форме.
О влиянии лигандов на функциональную активность
абсорбированного железа можно судить по результатам экспериментов с
исключением из питательных растворов Fe-хелатов после их
кратковременного взаимодействия с корнями растений (рис. 5. 5).
В период после исключения Fe-комплексов из растворов
проявление признаков хлороза у растений происходит с аналогичной
описанной выше закономерностью: поражение растений хлорозом
больше в вариантах с Fe-ДТПА, Fe-ЭДТА, Fe-ЭДТФ, меньше в
вариантах с Fe-ОЭДФ и Fe-НТФ. Следовательно, устойчивость
к диссоциации и способность к адсорбции корневыми системами —■
это основные свойства Fe-комплексонатов, способствующие
оптимизации усвоения растением железа при условии его
ограниченного содержания в кислой среде.
Сочетание этих свойств трудно достижимо в ряду аминокар-
боновых лигандов, так как депротонизация необходима для
участия карбоксилов в образовании координационных связей с
металлами. Поэтому увеличение числа карбоксильных групп в
молекуле комплексона ведет к повышению устойчивости комплекса и его
отрицательного заряда. Кроме того, наращивание звеньев в комплексе
165
I I I I I I I
5 10 15 20 25 30
Время после исключения Fe из растворов, сут
Рис. 5. 5. Содержание хлорофилла в листьях ячменя
после кратковременного действия Fe-хелатов.
Возраст растений 10-41 день. На питательном растворе
с Fe-хелатами (СГс = 3,57 • 10"s моль/л, рН 5,6) растения выращивали
с 5- до 10-го дня, на растворе без Fe-хелатов с 10- до 41-го дня.
целесообразно до определенного предела, соответствующего
насыщению координационной емкости. Дальнейшее увеличение
размеров хелатного цикла может сопровождаться ослаблением
прочности комплексоната, что весьма характерно для хелатов Fe (III).
Содержание в среде фосфорсодержащих Fe-хелатов типа ОЭДФ
с минимально допустимым для формирования хелатных структур
количеством фосфоновых групп более благоприятно для
минерального питания высших растений.
Щелочная среда. В щелочной среде, особенно при
повышенных концентрациях металлов, конкурирующих за места
связывания в комплексе, преимущество принадлежит органическим ли-
гандам с высокой селективностью к железу и способностью
формировать высокоустойчивые хелаты. Это свойство хелатов особенно
важно для растений, произрастающих на карбонатных почвах со
щелочной реакцией среды и высоким содержанием кальция.
Конкуренция кальция за лиганд может приводить к разрушению
относительно неустойчивых Fe-комплексов и образованию плохо
растворимых в воде гидроксидов железа (рис. 5. 6).
Физиологическое значение перечисленных свойств Fe-хелатов выше для
растений стратегии I (см. гл. 6). Как известно, растения стратегии I
адаптируются к Fe-дефициту с помощью выделения корнями Н+
и активации Fe-редуктаз. Основной путь адаптации к недостатку
166
О,, CaL, Ca2Z,, CaHL
FeZ HnZ
Z^FeJ=Fe(OH)3i
Рис. 5. 6. Равновесные реакции в системе Ca-Fe—L
[по: Lucena et al., 1988]
железа растений стратегии II связан с продуцированием корнями
фитосидерофоров. (Более подробная информация по этому
вопросу содержится в гл. 6.) Для ячменя (стратегия II) рост растений
и содержание хлорофилла в листьях были выше на растворах
(щелочная среда) со среднеустойчивыми хелатами, а для огурца
(стратегия I) с высокоустойчивыми (рис. 5. 4). При этом для огурца
обнаружена сильная прямая корреляция содержания хлорофилла в
листьях, а также биомассы с концентрацией в растворах
водорастворимых форм железа.
Эти видовые особенности усвоения корнями Fe-хелатов в
щелочных средах объясняются спецификой механизмов адаптации
различных групп растений к Fe-дефициту. У растений стратегии I
функционирование Fe-редуктаз и продуцирование протонов
оптимально при рН 5 и подавляется в щелочной среде, а также в
случае, если в корневой зоне нет подвижных форм железа. Фито-
сидерофорный механизм адаптации (стратегия II) в меньшей
степени подвержен негативному воздействию высоких значений рН
среды, что позволяет злакам эффективно усваивать железо, даже
если в растворе практически нет его подвижных форм. Кроме того,
из приведенных выше данных следует, что синтетические лиган-
ды, формирующие высокостабильные комплексы, могут
конкурировать с фитосидерофорами за катионы железа.
Для оптимизации корневого питания растений железом в
карбонатных почвах определенный интерес представляют комплексоны
ароматического ряда. Специфика их структуры — ароматического
кольца, заключается в увеличенной по сравнению с
алифатическими комплексонами жесткости системы, препятствующей
свободной ориентации атомов и функциональных групп в пространстве.
Утрачивая жесткость, молекулы комплексона приобретают
пространственную конфигурацию, адекватную стереохимии определенных
167
катионов, что значительно повышает селективность комплексооб-
разования. Наиболее перспективными для корневого питания
растений железом оказываются производные бензольного ряда, в
составе которых сочетаются два ароматических кольца: этилендиа-
мин-Ы,^-ди(2-гидроксифенил)-Н,^-диуксусная (ЭДДГА)
и этилендиамин-Ы,Ы'-ди(2-гидроксифенил)уксусная (ЭДДОФА)
кислоты:
N-CH,
ЭДДГА
-СН2—N
СООН НООС
ЭДДОФА
HOOCHC-NH-CH2-CH2~NH--CHCOOH
/V-OH НО—<г
Сложная стереохимия этих лигандов обусловливает
напряженность образуемых хелатных циклов и определяет специфику ком-
плексообразования. За исключением трехвалентного железа и
редкоземельных элементов, большинство катионов не в состоянии
реализовать максимальную дентатность перечисленных хелаторов.
Производные бензольного ряда характеризуются также
способностью образовывать высокоустойчивые комплексы с
трехвалентным железом: для ЭДДОФА lg А> 20,2, для ЭДДГА !g K= 33,91.
В различных почвенных условиях при адекватном подборе
концентраций комплексы железа с производной гидроксибензиламинов •—<
ЭДДГА, отличаются высокой антихлорозной эффективностью. На
основании анализа диаграмм стабильности можно заключить, что
в отличие от алифатических высокодентатных комплексонов
ассоциация железа с ЭДДГА обеспечивает 100 %-ную селективность
к этому металлу даже при повышенных концентрациях кальция в
среде и ее щелочной реакции (рис. 5. 7).
168
1,0
0,8-4
ЭДДГА
s0,6
0,4
0,2 A
к
\
\
1эдта\
r4^
Удтпа\
\ \
\ \
\ \
\ 4
—>-—-^—=^-—,
7,0
7,5
pH
8,0
8,5
Рис. 5. 7. Диаграммы стабильности для Fe-ЭДДГА, Fe-ДТПА, Fe-ЭДТА
при концентрации кальция 5 • КГ3 моль/л [по: Lucena et al., 1988].
Сплошная линия — Fe(OH)3 аморфный, штриховая — Fe(OH)3 почвы.
Однако чрезмерно высокая стабильность хелатов
ароматического ряда может негативно сказываться на процессе питания
растений железом. Так, повышенная селективность М,1Ч'-ди-(2-гид-
роксибензил)-этилендиамин-Ы,№-диуксусной кислоты (ГБЭД)
ГБЭД
НООС~СН2
N-CH2-CH2-N
сн
сн2-соон
к Fe (III) и устойчивость его Fe (Ш)-комплексов (lg K= 39,68)
препятствуют нормальному усвоению железа корнями растений (кукуруза).
Аналогичные данные в условиях гидропоники получены и для
ЭДДГА. Негативное свойство последней состоит в ее участии в
катализе окисления двухвалентных форм марганца и кобальта до
169
трехвалентных форм. Несмотря на ярко выраженные свойства Fe-
бензольного ряда, практическое применение этих комплексонов
ограничено вследствие их высокой себестоимости.
ПОГЛОЩЕНИЕ КОМПЛЕКСОВ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
Представления о механизмах поглощения корнем комплексных
форм микроэлементов противоречивы. С одной стороны,
допускается возможность непосредственного поступления экзогенных
органических лигандов, не являющихся фитосидерофорами, в
растительные ткани. Такие предположения основываются на
результатах экспериментов с природными и искусственными хела-
торами, содержащими радиоактивную метку. Например, в одно
растение фасоли или подсолнечника может поступать от 9 до 40 мг
углерода фракций фульвокислот (ФК). Скорость переноса
углерода через корни растений возрастает с уменьшением
молекулярной массы ФК. В опытах с двойной меткой (54Мп, 14С)
установлено, что марганец поступает в клетки корня кукурузы в
связанной форме, если фракции ФК относительно высокомолекулярны
(> 10 кД), и в виде иона, если они низкомолекулярны (-380 Д).
Судя по данным спектрофотометрических исследований, при
корневом питании поступление в растение синтетических
комплексов (Fe-ДТПА, Fe-ЭДДОФА) происходит без их разрушения.
С другой стороны, существует мнение, что в недиссоциирован-
ном виде экзогенные хелаты поступают в надземные органы
растений в незначительном количестве или не поступают вовсе. В этом
случае предполагается, что экзогенные хелаторы в транспорте
микроэлементов по растению не участвуют, а роль лигандов сводится к
обеспечению растворимости соединений микроэлементов в среде.
Тогда поступление в побег экзогенного хелата в интактной форме
зависит от его концентрации в среде, В экспериментах с
комплексом Fe-ЭДДГА красного цвета определили его пороговую
концентрацию в питательном растворе, выше которой происходила
аккумуляция Fe-хелата в побеге. Если концентрация Fe-ЭДЦГАбыла ниже
порогового уровня, то в листьях содержалось лишь незначительное
количество этого комплекса. Возможно, поглощение комплексных форм
металлов осуществляется с помощью двух механизмов,
функционирующих при высоких и низких концентрациях хелатов в среде.
170
Теоретический и практический интерес представляет
рассмотрение вероятных механизмов поглощения высшим растением си-
дерофорных Fe-комплексов, продуцируемых микроорганизмами.
Растениями стратегии I (см. гл. 6) эти соединения могут
поглощаться как в интактном, так и в диссоциированном виде. В
опытах с хлопчатником наблюдали предварительный распад сидеро-
фора ферриоксамина В, после которого железо поглощалось
растениям в нехелатированной форме. Растения огурца, однако,
способны частично поглощать железо в виде интактного сидеро-
форного комплекса. Изученные к настоящему времени сидерофоры
отличаются низкой растворимостью в липидной фазе. Поэтому в
качестве вероятного механизма их транспорта через мембраны
рассматривают не пассивную, а облегченную диффузию.
Один из механизмов неспецифического восстановления
растением сидерофорных комплексов железа связывают с работой ре-
дуктаз. Сидерос|юрредуктазная активность обнаружена для нитрат-
редуктазы. Поскольку этот фермент локализован в цитоплазме, он
может участвовать в восстановлении Fe (Ш)-сидерофорных
комплексов только после их поступления внутрь клетки.
Использовать Fe (Ш)-сидерофоры в качестве акцептора электронов могут
также НДЦ(Ф)Н-оксидоредуктазы, локализованные в плазмалем-
ме клеток корня. Следовательно, растения утилизируют Fe-сиде-
рофоры как на поверхности клеток, так и в цитоплазме.
Высокоспециализированная поглотительная система растений
стратегии II, продуцирующих в ответ на недостаток железа
собственные фитосидерофоры (см. гл. 6), не участвует в
непосредственном поглощении сидерофорных комплексов бактериального
происхождения. В этом случае ассимиляция железа растениями
осуществляется непрямым способом, при котором происходит обмен
лигандами между Fe-комплексами сидерофоров и фитосидерофо-
ров. В итоге железо поглощается корнями растений стратегии II в
форме Fe-фитосидерофора. Благодаря такому механизму растения
стратегии II используют феррисидерофоры в качестве
эффективного источника железа.
После поглощения корнем многие микроэлементы
транспортируются по клеткам коры к сосудам ксилемы и по ксилеме в побег
главным образом в виде хелатных комплексов. Их состав и
устойчивость зависят от вида как металла, так и лиганда. С помощью
электрофореза на бумаге и радиоавтографии установлено, что
171
стабильные комплексы с соединениями ксилемного экссудата
способны образовывать цинк, марганец, никель, кадмий. Железо
транспортируется в побег в анионной форме в виде Fe (Ш)-цитрата. С
компонентами ксилемного сока марганец, кальций, магний
формируют более лабильные комплексы, чем цинк, медь, железо. При
транспортировке в растении цинк и медь, как правило, хелатиру-
ются органическими кислотами (лимонной и яблочной), но в
меньшем количестве, чем железо. Сродство микроэлементов к
природным хелаторам варьирует в зависимости от природы элемента.
Например, медь характеризуется большим сродством к аминокислотам,
чем к органическим кислотам.
Образование комплексов микроэлементов с природными лиган-
дами зависит от рН среды ксилемного сока, а также
концентрации компонентов хелата и окружающих его соединений. В кислом
диапазоне рН цинк слабо связывается аминокислотами. С
повышением рН этот металл конкурирует за связи с органическими
кислотами и с аминокислотами. С увеличением концентрации природных
органических кислот стабильность комплексов микроэлементов в
электрическом поле повышается. Высокое содержание в экссудате
растений кальция препятствует комплексообразованию микроэлементов,
а фосфора — формированию комплексов железа с цитратом. При
избыточном содержании в растениях одних микроэлементов может
изменяться состав хелатов других. Так, с увеличением концентрации
цинка до токсичного уровня снижается содержание аспарагиновых
комплексов меди и повышается — гистидиновых.
5. 2. 2. Побег
Рассмотрение роли комплексонов в усвоении
микроэлементов листьями представляет теоретический и практический интерес.
Освещение этого вопроса позволяет лучше понять механизмы
утилизации в побеге комплексных соединений микроэлементов.
Кроме того, эти сведения важны для эффективного проведения
некорневых подкормок растений микроэлементами. Указанный
способ получил очень широкое распространение в мировой практике
растениеводства, так как позволяет оперативно, с минимальными
затратами химикатов корректировать дефицит микроэлементов у
культурных растений.
172
КОМПЛЕКСЫ ЖЕЛЕЗА
В процессе метаболизации побегом Fe-хелатов важная роль
принадлежит фотохимически Окислительно-восстановительным
реакциям в системе Fe (III)— лиганд, сопровождающимся
образованием Fe (II). Функционирование этого механизма
обусловлено необходимостью восстанавливать окисленные формы железа,
которые образуются при передвижении из прото- в метаксилему
поглощенных корнями форм Fe (II). Для осуществления
метаболических процессов в растениях нужна двухвалентная форма
железа. Ключевое значение Fe (II) определяется, с одной стороны,
лучшей по сравнению с Fe (III) растворимостью его минеральных
солей, а с другой — меньшей устойчивостью Fe (И)-хелатов, что
облегчает высвобождение железа из транспортных форм и его
дальнейшее включение в обмен веществ.
Фоторедукция Fe (III) до Fe (II) происходит под действием
оптического излучения с длинами волн меньше 420 нм. Оптическое
излучение с распределением длин волн в диапазоне 350—700 нм
способно проникать через интактный зеленый лист и вызывать
фоторедукцию Fe (III) в питательном растворе. Этот процесс иро-
исходит как при прямом облучении растворов, так и при их
освещении через пораженные хлорозом листья. При исключении из
состава оптического облучения ультрафиолетовой (УФ) части
фоторедукция Fe (III) подавляется. Стимулирующее влияние УФ-из-
лучения на восстановление Fe (III) и синтез хлорофилла в
листьях обнаружено в опытах с интактными растениями сои. При этом
вызванные УФ-лучами физиологические э<{мректы усиливались по
мере обострения Fe-дефицита и в наибольшей степени
проявлялись у Fe-неэффективного сорта.
Фоторедуюфя Fe (III) происходит интенсивнее при участии
органических соединений, в частности кислот. У растений под
воздействием яркого солнечного света в аэробных условиях цитрат-
ный Fe (Ш)-комплекс (одна из основных транспортных форм
железа в растениях) легко разлагается с образованием Fe (II).
Механизм фотолиза карбоксилсодержащих хелатов железа и других
микроэлементов (Мп, Со) заключается в элиминировании
молекулы С02 и последовательном сокращении хелатного цикла.
В процессе фотолиза образуются промежуточные продукты со
связями металл—углерод. Эти продукты термически нестабильны
173
и распадаются с гемолитическим разрывом связи металл—углерод
и образованием ионов металла, а также радикалов лиганда.
Фоторазложение, например, лимонной кислоты идет постепенно, с
образованием многочисленных промежуточных соединений,
конечные продукты — ацетон и углекислый газ. При фотораспаде ЭДТА
идентифицированы следующие продукты: углекислый газ,
формальдегид, ионы этилендиаминтриацетата, этилевдиаминдиацетата.
Фотохимические окислительно-восстановительные реакции
обнаружены не только в цитратных, но и в тартратных системах.
Фотохимическая активность Fe-хелатов и их физиологическое действие
при некорневом питании зависят от многих факторов: природы
комплексона, интенсивности и спектрального состава
оптического излучения, реакции среды, содержания в составе Fe-хелата
других микроэлементов.
Природа комплексона. Один из основных факторов, влияющих
на фотолиз хелатов. По стимулирующему действию на
фоторедукцию Fe (III) в растворе природные органические кислоты
располагаются в ряду: винная > щавелевая > лимонная > яблочная >
аконитовая > фумаровая. Фотохимическая активность синтетических
Fe-хелатов также варьирует в зависимости от природы лиганда
(табл. 5. 3). При этом максимальными квантовыми выходами
фотохимических реакций характеризуются карбоновые, а
минимальными фосфоновые Fe-хелаты.
В ряду карбоновых
комплексов также выявлены
различия по этому показателю.
Квантовые выходы
фотохимических реакций у среднеус-
тойчивых хелатов — Fe-ЭДДА,
Fe-HTA, выше, чем у
высокоустойчивых — Fe-ДТПА,
Fe-ЭДТА. Однако антихло-
розное действие последних
эффективнее, чем среднеус-
тойчивых Fe-хелатов и тем
более фосфоновых
комплексов, которые не влияют на
синтез хлорофилла в Fe-де-
фицитных листьях (рис. 5. 8).
Таблица 5. 3
Квантовые выходы фотолиза
Fe-хелатов \
Лиганд
НТА
ЭДДА
ЭДТА
ДТПА
ОЭДФ
НТФ
ЭДТФ
НСР05
по: Битюп
Форма
Fe2+
0,111
Не опр.
0,061
0,030
0,008
0,005
0,006
0,002
цшй, 1995
железа
Fe3+
0,088
0,160
0,057
0,024
0,008
0,005
0,006
0,002
Примечание. CFc = 1 • 10 4моль/л;
Fe : L = 1 : 1 ; рН 6,0; ^ = 254 нм.
174
Очевидно, при нанесении на поверхность листа фосфоновых Fe-
хелатов их фотохимическая инертность препятствует образованию
биологически активных форм Fe (II). В свою очередь, различия в
физиологическом действии между фотохимически активными
группами средне- и высокоустойчивых Fe-хелатов могут быть
обусловлены неодинаковым периодом их фотораспада. Комплексы с
повышенной фотохимической активностью быстро разрушаются
с увеличением продолжительности экспозиции (рис. 5. 9), что
сопровождается ингибированием фотовосстановления Fe (III) до Fe (II).
1,2
§М
о
о,
3 0,4
Подсолнечник
Огурец
Fe (III)—L
Ihcp(
05
^ 3
12 3 4 5 6 7
Ячмень
Fe (II)-£ Fe (III)—Z,
12 3 4 7
Кук>фуза
Fe (III)—L
о
ex
о
12 4 6 7 2 4 6 7
12 3 4 5 6 7 8
Рис 5 8. Содержание хлорофилла в листьях при некорневом питании
растений Fe-хелатами (CFc= 2 • 10"3 моль/л; Fe L - \ 1, рН 6,0)
[по. Битюцкий, 1995]
Хлороз вызывали исключением железа из состава раствора Клопа / — НО (контроль),
2 - Fe-ДТПА, 3 - Fe-ЭДТА, 4 - Fe-HTA, 5 - Fe-ЭДДА, 6 - Fe-НТФ, 7 - Fe-ОЭДФ,
8 - Fe-ЭДТФ
175
Следовательно, при некорневых подкормках быстрая
фотодеструкция Fe-хелатов предопределяет ускоренную иммобилизацию
железа в капле раствора вследствие плохой растворимости в воде
его соединений. Этот процесс усугубляется относительно высокими
значениями рН рабочих растворов и небольшим количеством хе-
латирующего агента, которое ограничено объемом капли на
поверхности листа. Лучшим антихлорозным действием обладают ком^
плексы железа, способные к интенсивной, но пролонгированной
фотохимической деструкции.
Оптическое излучение. Атрибутом любой фотохимической
реакции выступает оптическое излучение определенного состава и
Фотодеструкция
Fe(II)-£ А,>330нм
%Г
Время облучения, мин
Рис. 5. 9. Влияние хелатирующих агентов на фотодеструкцию Fe (II)-
хелатов в водных растворах [модифицировано по: Битюцкий, 1995].
С, = ПО""'моль/л; Fe : L = 1 : I; рН 6,0: / - Fe-ДТПА, 2 -Fe-ЭДТА, З - Fe-HTA,
4 - Fe-ЭДДА, 5 - Fe-ЭДТФ, 6 - Fe-НТФ, 7 - Fe-ОЭДФ.
176
интенсивности. Наибольший фотохимический эффект
достигается при действии на хелатные комплексы микроэлементов
излучением в области полосы максимального поглощения. Ярко
выраженные симметричные полосы поглощения при длине волны
260 нм установлены в спектрах комплексов железа с ДТПА, ЭДТА,
ЭДТФ. В спектрах среднеустойчивых комплексов (Fe-ЭДДА,
Fe-HTA) при той же длине волны обнаруживается плечо.
Валентность железа и реакция среды изменяют оптическую плотность,
но не влияют на положение максимумов поглощения в спектре Fe-
комплексонатов.
По мере исключения коротковолновой области из спектра
источника облучения фотохимическая активность комплексонатов
железа заметно снижается. В ряду карбоновых кислот
фоторедукция Fe (III) в наибольшей степени подавляется в растворах с
высокоустойчивыми синтетическими комплексами (Fe-ДТПА, Fe-
ЭДТА), а в наименьшей степени — с природными органическими
кислотами (цитрат, малат, тартрат). Однако фотовосстановление
Fe (III) в растворах с карбоновыми лигандами, в отличие от
растворов фосфорсодержащих комплексонов, отмечается даже при
исключении УФ-области из спектра источника облучения.
Ограничение светового потока в период проведения некорневых
подкормок карбоновыми Fe-хелатами нарушает усвоение листьями железа
из комплекса со средней фотохимической активностью (Fe-ДТПА)
и не влияет на нее, если используются фотохимически
высокоактивный комплекс (Fe-HTA) или минеральные соли.
Реакция среды. В водных растворах фотохимически активных
Fe-хелатов величины квантовых выходов фотохимических
реакций выше в кислой среде, чем в нейтральной и щелочной. Анти-
хлорозное действие хелатов этой группы также максимально в
кислой среде. Как фотохимическая, так и физиологическая
активность фосфорсодержащих комплексонатов железа сохраняется на
низком уровне в широком диапазоне рН (4—9). Очевидно,
пониженная скорость фотообразования Fe (II) лимитирует усвоение
железа листьями растений при нейтральной и щелочной реакциях
среды. Отметим, что эти результаты получены в экспериментах с п>
могенными растворами Fe-комплексонатов. По этой причине
отрицательное влияние повышенных значений рН на антихлороз-
ную активность Fe-комплексов при их нанесении на лист не
может быть интерпретировано как деструкция хелатов.
177
Влияние микроэлементов. Клеточный сок растений представляв
ет собой многокомпонентную систему, в которой железо находится
в окружении различных соединений других микроэлементов.
Многие из металлов-микроэлементов участвуют в регуляции
фотохимической и физиологической активности Fe-хелатов.
Воздействие на фотовосстановление Fe (III) микроэлементов определяется
их природой и концентрацией, видом органического лиганда и
величиной соотношения железо : микроэлемент: лиганд в растворе
(рис. 5.10). При соотношении Fe: L = 1:2, достаточном для хелатй-
рования всех металлов композиции, обнаружено сильное (особенна
на начальных этапах облучения) ингибирование фотохимического
восстановления Fe (III) в присутствии меди и марганца.
Например, при эквимолярном соотношении этих металлов с Fe (III)
скорее 5 10 Фотохимическое восстановление хелатированного Fe (III)
до Fe (II) в водных растворах [по. Битюцкий, 1995].
Са= 1 10 ' моль/л, рН 5,5, Хо6л = 254 нм, экспозиция — 3 и 6 мин
а — Fe (III) • ДТПА =1 2, / = 3 мин; б — то же, / = 6 мин;
в - Fe(III) ЭДТА =1 2, / = 6 мин, г - Fe (III) ЭДТА =1.1,
/ = 6 мин Светлые столбики — источники железа без микроэлементов,
заштрихованные — FeL М = 1 0,5, темные — FeZ, M = \ 1
178
рость его фотовосстановления уменьшается по сравнению с
контролем на 50—80 %. По сравнению с медью и марганцем,
влияние цинка на фотохимические реакции железа меньше. При эк-
вимолярном соотношении Fe : L, недостаточном для хелатирова-
ния привносимых микроэлеменов, не происходит подавления
фотовосстановления Fe (III) ни марганцем, ни тем более цинком.
В отличие от этого прибавление к эквимолярным комплексам
железа меди может индуцировать, в силу ее высокой комплексооб-
разующей способности, разрушение Fe-хелатов и образование
нерастворимых в воде гидроксидов железа.
Фотохимические эффекты микроэлементов аналогичны
физиологическим (рис. 5. 11). Так, действие на хлорозные листья
огурца хелатов железа с соотношением Fe : L = 1 : 2 сильно
нарушается, если в растворах содержатся медь и марганец, а цинк на него
не влияет. В то же время излечивание хлороза не тормозится при
использовании тех же количеств марганца из смеси с
эквимолярным (Fe : L — 1 : 1) комплексом железа (Fe-ЭДТА) и из FeS04.
Обработка листьев смесями этих соединений железа с медью
подавляла его антихлорозное действие. В данном случае негативный
физиологический эффект обусловлен потерей водорастворимости железа
при взаимодействии с медью, о чем свидетельствует появление осадка.
Ингибирование металлами фотохимического восстановления
Fe (III) обусловлено известным в фотохимии эффектом тушения
электронно-возбужденных состояний молекул. Существует точка зрения,
что если тяжелый атом посторонний (нецентральный), то
достоверного тушения не происходит в результате более эффективного
влияния центрального иона комплекса на спин-орбитальное
взаимодействие. Видимо, по этой причине марганец в композиции с
эквимолярным комплексом Fe (III) не оказывает существенного воздействия
на его фотовосстановление и физиологическую активность.
Результаты исследований с композициями микроэлементов
позволяют объяснить один из возможных механизмов нарушения
обмена железа у растений в условиях его недостатка. Вероятна
следующая последовательность событий. Недостаток железа в
питательной среде индуцирует сильное накопление в корнях и
отдельных органах побега многих видов растений органических
кислот и металлов-микроэлементов, особенно марганца (табл. 5.4,
5. 5). Избыток хелатирующих соединений способствует ингиби-
рованию (тушению) микроэлементами фотохимических реакций
179
Рис 5 11 Эффективность некорневого питания огурца соединениями
железа (CFc = 2 • 10~3 моль/л; рН 5,5) [по: Битюцкий, 1995]
Хлороз вызывали исключением железа из состава раствора Кнопа
В8— Н20 (контроль), D— источники Fe без микроэлементов, 0— Fe/, M — 1 0,5,
И— FeZ, М = \ 1 Источники железа а — FeSO , б — Fe (II) ДТПА =
= 1 2, в - Fe (III) ДТПА - 1 :2; г - Fe (III) : ЭДТА =12,
д -Fe (III) ЭДТА =1:1.
в системе железо — хелатирующий агент, что усугубляет дефицит
функционально активных форм Fe (II) и в целом негативно
сказывается на фитометаболизме.
Фотовосстановление железа при некорневых подкормках,
очевидно, происходит как на поверхности листа в капле
питательного раствора, так и в его тканях. После прохождения оптического
излучения через эпидерму его интенсивность, а следовательно, и
степень его участия в фотохимических реакциям многократно уси-
180
Таблица 5. 4
Концентрация микроэлементов в отдельных частях растений
подсолнечника Helianthus annus L., мг/г сухой массы
[по: Dockendorf, 1989]
Часть
растения
Листья:
верхние
средние
нижние
Стебель
Корень
Железо
Контроль
96
78
70
31
613
нсо3-
37
49
58
18
172
Марганец
Контроль
92
104
83
46
47
нсо3-
126
ПО
81
53
111
Цинк
Контроль
85
82
73
80
75
Hcxv
78
65
69
30
130
Примечание. Концентрация железа в виде Fe(IlI)-Na3flTA
в питательном растворе 10 мкмоль/л.
Таблица 5. 5
Концентрация органических кислот в стебле сои Glycine max.,
мг/г сухой массы [модифицировано по: Nauholz, 1989]
Органические
кислоты
Цитрат
Малат
Малонат
Аконитат
Сукцинат
Фумарат
Fe, 11 мкмоль/л,
(контроль)
9,95
4,09
5,74
0,13
111,62
7,98
Fe, 11 мкмоль/л,
+ Hccv
14,59
4,86
6,65
0,15
76,02
6,64
Fe, 4 мкмоль/л,
+ нсо3-
17,21
5,81
7,60
0,14
87,74
6,32
Примечание. Концентрация НСОэ~ в питательном растворе
11 мкмоль/л.
ливаются вследствие фокусирующего действия эпидермальных
клеток. Этот эффект, установленный с помощью микроволоконных
оптических систем, обнаружен у растений различных видов.
В естественных условиях фоторазложение органических кислот,
сопровождающееся восстановлением Fe (III) до Fe (II),
локализовано в листе и представляет собой один из механизмов адаптации
растений к Fe-стрессу. Физиологическое значение фоторедукции Fe (III)
возрастает с обострением Fe-дефицита и находит наибольшее
выражение у Fe-неэффективных видов. Вместе с тем образование
181
двухвалентной формы хелатированного железа нельзя считать
достаточным условием для его включения в метаболизм побега. Этот
процесс, вероятно, происходит только после фотодеструкции Fe-xe-
лата. Повышенные концентрации в тканях микроэлементов и
высокие значения реакции среды негативно отражаются как на
фотохимическом восстановлении железа в листе, так и на
функционировании Fe-редуктаз корня и рассматриваются в качестве физиологических
факторов обострения карбонатного хлороза растений.
КОМПЛЕКСЫ ДРУГИХ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
Представления о необходимости хелатирования марганца,
цинка, меди и кобальта, в отличие от железа, при проведении
некорневых подкормок растений противоречивы, а сведения по этому
вопросу малочисленны. Возможно, преимущества хелатов
проявляются при транслокации этих микроэлементов из
обработанных листьев к другим органам растений. Однако для многих
минеральных солей металлов характерна довольно высокая
миграционная способность. В опытах с карликовым горохом установлено,
что усиление передвижения микроэлементов по растению под
действием комплексонов происходит не всегда. Специфика этого
явления обусловлена природой металла и органического лиганда.
В основном соли З^-элементов растворимы в воде в более
широком диапазоне рН, чем соли железа, а это существенно снижает
эффективность действия комплексонов как на стадии сорбции
металлов кутикулой, так и на последующих этапах их
метаболизма. В ряде случаев отмечают подавление синтетическими хелато-
рами эффектов, вызываемых минеральной формой микроэлемента,
что свидетельствует о снижении интенсивности его включения в
метаболизм растений из органических комплексов. Подавление
физиологической активности микроэлементов при их нанесении
на поверхность листа наиболее четко выражено у
фосфорсодержащих комплексонов. В некоторых случаях такое ингибирование
может быть обусловлено изначально слабой растворимостью в воде
фосфоновых комплексов. Кроме того, потеря растворимости
соединений микроэлементов вероятна и при фотолизе фосфоновых
комплексов, который может сопровождаться образованием
неорганических фосфатов.
6. АДАПТАЦИЯ РАСТЕНИЙ К ДЕФИЦИТУ
МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
В этой главе содержится информация о
специфической и неспецифической адаптации высших растений к
недостатку микроэлементов в среде. Рассмотрены
современные представления о механизмах специфической
адаптации к условиям Fe-cmpecca. Приведена
подробная характеристика групп растений, различающихся по
механизмам адаптации к недостатку железа
(стратегия I и стратегия II).
6. 1. НЕСПЕЦИФИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
Условно возможные механизмы адаптации растений к
недостатку питательных элементов подразделяют на неспецифические
и специфические. Действие неспецифических механизмов не
связано с прямой реакцией растений на недостаток конкретного
элемента. В этом случае мобилизация микроэлементов в почве и
улучшение минерального питания растений достигаются за счет комплекса
физико-химических и биохимических процессов в ризосфере корней.
Ключевая роль в функционировании неспецифических механизмов
принадлежит корневым выделениям, в частности корневым слизям.
При специфической адаптации у растений отмечается прямая
физиологическая реакция на дефицит конкретного элемента.
Корневые слизи. На поверхности корня находится слой ризо-
дермальных клеток, связанных с ризосферой тонкой оболочкой
слизи. В выделении слизей участвует внешний слой эпидермиса.
Особенно много слизей выделяют апикальные зоны корней. Синтез
растительных слизей в клетке и их перемещение из протопласта к
плазмалемме осуществляются комплексом Гольджи, на поверхность
корня слизь выделяется через клеточные стенки. Слизи
представляют собой высокомолекулярный гелевый материал фибриллярной
структуры. Корневые слизи состоят в основном из полисахаридов,
183
включающих в зависимости от вида растений от 20 до 50 % по-
лиуроновых кислот. Сеть фибрилл формирует поровую систему,
которая вместе с апопластом образует свободное пространство (СЦ)
корня. Взаимодействие мономеров фибрилл осуществляется через
солевые мостики между карбоксильными группами. Эта
структура стабилизирована водородными связями ОН-групп. Важную роль
в формировании солевых мостиков играют ионы кальция. С
повышением в среде концентрации ионов кальция степень гидрати-
рованности фибриллярной сети возрастает. Слизи играют важную
роль в защите апикальных зон корня при его передвижении в почве
и в поглощении ионов. Будучи высоко гидратированными, слизи
непосредственно контактируют с поверхностью почвы и
усиливают обменные процессы корня.
Взаимодействие кальция корневых слизей с ионами среды
может быть обменным и необменным. Обменное взаимодействие
характерно для химических форм, электростатически связанных с
сетчатыми структурами. В результате обменных реакций и
пассивного транспорта в слизях поглощаемые ионы способны
мобилизоваться в апопласте клеток корня. По типу обменного
происходит взаимодействие корневых слизей с Са2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+.
Необменное взаимодействие отмечается в том случае, если формы
ковалентно связаны с участками фибриллярной структуры. Такие
химические формы не могут быть перенесены к плазмалемме, они
снижают гидратированность фибриллярной сети и ее пористость.
Необменное взаимодействие характерно для алюминия и
многих тяжелых металлов (особенно для меди) при их высоком
содержании в почве. В нормальных условиях, т. е. при
относительно низком содержании в среде микроэлементов и высоком
содержании оснований корневые слизи, сохраняя гидратированность и
объем, способны участвовать в поглощении элементов питания.
При недостатке влаги в почве выделение корневых слизей в ответ
на возрастающее механическое сопротивление корню
усиливается, что положительно сказывается на поступлении в растения
микроэлементов. Благоприятное косвенное влияние на этот процесс
оказывает также увеличение корневыми слизями в почве
количества водопрочных агрегатов.
Низкомолекулярные корневые выделения. Ризосфера
представляет собой область почвы (среды), в которой концентрируются
разнообразные по химическому составу относительно низкомоле-
184
кулярные корневые выделения. Их главными компонентами
являются сахара, органические кислоты, аминокислоты и фенолы,
обычно превалируют сахара и органические кислоты. Общее
количество и соотношение компонентов низкомолекулярных
корневых выделений сильно варьируют в зависимости от вида
растений и их минерального статуса. В нестерильных условиях точное
определение количества низкомолекулярных соединений
затруднено вследствие их быстрой утилизации микроорганизмами.
Наиболее сильное прямое действие на мобилизацию
микроэлементов в почве оказывают органические кислоты, аминокислоты
и фенолы. Воздействие на этот процесс Сахаров обычно
незначительно. Повышение растворимости соединений микроэлементов
под влиянием корневых выделений происходит за счет
восстановления окисленных форм микроэлементов (например, Мп) и
образования растворимых хелатов (Mn, Fe, Zn) (рис. 6. 1).
Специфическая роль фенолов и органических кислот в мобилизации
соединений железа будет рассмотрена ниже.
Для мобилизации микроэлементов почвы важен ацидофициру-
ющий эффект корневых выделений. Здесь не рассматриваются
механизмы ацидофикации, связанные с прямой реакцией
растений на дефицит микроэлементов. Значение рН почвы, не
затронутой деятельностью корней, может превышать величину рН
ризосферы более чем на две единицы. В пределах индивидуальной
корневой системы разница значений рН вдоль оси корня и между
основными и боковыми корнями также может достигать двух
единиц. Как правило, у растений, произрастающих на кислых почвах,
величина рН выше у корневого апекса и ниже в субапикальной
зоне.
Изменения реакции среды в ризосфере связаны с нетто-выде-
лением корнями Н+, НСОэ" или ОН" и органических кислот. Кроме
того, органические кислоты появляются в ризосфере вследствие
активности микроорганизмов, стимулируемой выделяемыми
корнями органическими соединениями. Значительное влияние на рН
ризосферы оказывает баланс скорости поглощения корнями
катионов и анионов. В случае более интенсивного поглощения
корнями катионов усиливается продуцирование Н+ и рН ризосферы
понижается. При более интенсивном поглощении корнями
минеральных форм анионов рН ризосферы повышается за счет
выделения НС03" или ОН".
185
а \
Мп-хелаты
2
Мп
Органические кислоты
СО
1 А
X
ЕСоре
-
---.-.._--
(Fe хелаты)
Цитраты, фенолы
аминокислоты
(Fe хелаты)
| Fe (III)-
1 оксиды
1
г
1—
А
X
(U
о,
0
а
л
_ .'1
- А
:Л
-Фосфаты
Органические кислоты
(фенолы)
Fe, А1-
Fe, Al хелаты
десорбция
Фосфаты
Цитраты
а-цитраты
Рис 6 1. Растворение корневыми выделениями плохо растворимых
неорганических соединений в ризосфере растений [модифицировано
по Marschner, 1997; с любезного разрешения Academic Press Limited}
Особенно важную роль в регуляции ионного баланса растений
и рН ризосферы играют источники азотного питания. Если это
нитраты, то скорость выделения корнями НС03~, как правило,
186
выше, чем протонов. При аммонийном питании наблюдается
обратная зависимость. В нейтральных и щелочных почвах подкис-
ление ризосферы у растений, питающихся аммонийными
формами азота, способствует усилению поглощения корнями бора,
железа, марганца, цинка. В кислой среде понижение значений рН
ризосферы у растений, выращиваемых с использованием
аммонийных источников питания, может быть причиной резкого
торможения роста и продуктивности растений. Этот эффект обусловлен
тем, что продуцируемые растением в апопласт протоны
препятствуют поступлению и оттоку в листья катионов. Устойчивая
нейтрализация среды у растений на аммонийном фоне способствует
устранению отмеченного выше отрицательного физиологического эффекта.
У бобовых, обеспечивающих потребности в азоте с помощью
симбиотической азотфиксации, соотношение минеральные
катионы/анионы и соответственно экскреция Н+ корнями выше, чем
у растений тех же видов на нитратном фоне. Поэтому в тканях
растений, фиксирующих азот, содержание микроэлементов выше
по сравнению с растениями тех же видов, питающихся нитратными
формами азота. О масштабах подкисления ризосферы бобовыми
можно судить по следующему примеру. Растения люцерны,
фиксирующие атмосферный азот, при урожае 10 т/га снижают
кислотность почвы на величину, эквивалентную внесению в почву
600 кг/га СаСОэ. При длительном выращивании бобовых на
одном месте, а также в севооборотах с высокой долей бобовых ацвдо-
фикация почвы растениями, фиксирующими азот, может
способствовать повышению концентрации марганца до токсичного уровня.
На подвижность микроэлементов в почве оказывает влияние и
величина окислительно-восстановительного потенциала
ризосферы, которая зачастую существенно отличается от этого показателя
для почвы, не затронутой функционированием корней. Зона
действия корней на величину Eh может распространяться на несколько
миллиметров от поверхности ризопланы. Кроме того, Eh
ризосферы изменяется под влиянием функционирования
микроорганизмов, концентрация которых в ризосфере существенно выше, чем
за ее пределами. Как уже упоминалось (см. 2. 2. 2), уменьшение
Eh коррелирует с повышением растворимости многих микроэлементов.
Выделение корневых экссудатов тесно связано с минеральным
статусом растений. В условиях недостатка элементов питания (не
обязательно микроэлементов) количество низкомолекулярных
187
корневых выделений увеличивается. Это эффект установлен для
растений различных видов при недостатке в почве, например,
калия и фосфора. К тому же нередко изменяется и качественный
состав корневых выделений. Так, в условиях К-дефицита у
кукурузы соотношение в корневых выделениях Сахаров и
органических кислот изменяется в пользу кислот. У люцерны и
карликового гороха при недостатке фосфора усиливается выделение
лимонной кислоты, а у арахиса фумаровой.
Индуцированное недостатком макроэлементов выделение
корневых экскретов может благоприятно сказываться и на
доступности микроэлементов для растений. Высокая скорость локальной
экссудации корнями органических кислот и протонов обеспечивает
растениям экологическое преимущество, особенно в почвах с
большой буферной емкостью. Этот принцип довольно хорошо
реализован у растений (белый люпин) с протеоидной (кластерной)
корневой системой. Высокая плотность корней в кластере способствует
более эффективному подкислению почвы и лучшей адаптации
растений к условиям недостаточной подвижности в среде
элементов питания. Функционирование протеоидной корневой системы
белого люпина обеспечивает локальное подкисление даже
карбонатных почв. При нормальном снабжении люпина
растворимыми фосфатами подавляется формирование протеоидных корней и
выделение ими лимонной кислоты.
В целом количество корневых выделений в ризосфере зависит
от множества эндогенных и экзогенных факторов. К важнейшим
из них относятся биологические особенности культур, динамика
питательных веществ в ризосфере, подвижность минеральных
элементов, минеральный статус растений. Кроме того, на
выделение корневых экссудатов оказывает влияние механическое
сопротивление почвы. С повышением плотности почвы количество
корневых выделений в ризосфере возрастает. Вероятно, с увеличением
механического сопротивления тормозится в основном рост корня,
а транспорт к нему продуктов фотосинтеза не меняется. В
результате потребление продуктов фотосинтеза в расчете на единицу
длины корня может возрастать в несколько раз. Продуцирование
корневых выделений иногда оказывает положительное влияние на
питание растений микроэлементами. Однако рассмотренные здесь
физиологические реакции растений, индуцированные различными
факторами, напрямую не связаны с ответом растительного организма
на дефицит микроэлементов в почве.
188
6. 2. СПЕЦИФИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
Как отмечалось выше, специфические механизмы адаптации
обеспечивают прямую физиологическую реакцию растений на
дефицит микроэлементов, направленную на повышение их
подвижности и доступности в среде. К настоящему времени
наиболее детально изучена реакция растений на дефицит железа.
Эта реакция обусловлена комплексом адаптивных механизмов.
Химические способы повышения растворимости и доступности
железа растениям ограничиваются восстановлением Fe (III) до Fe (II),
уменьшением рН ризосферы и продуцированием растением хелати-
рующих соединений. Активность этих процессов зависит как от
специфики генотипа растения, так и от его обеспеченности железом.
Генотипически обусловленные различные адаптивные реакции
растений на дефицит железа классифицируют как стратегию /и
стратегию IL Сначала хемотаксономическую границу двух
стратегий проводили между одно- и двудольными растениями. В
настоящее время группа стратегии I объединяет все двудольные и
однодольные растения, не относящиеся к семейству злаков (Роасеае).
Соответственно к группе стратегии II принадлежат только
растения семейства злаков.
6. 2.1. Растения стратегии I
МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ
Растения этой группы характеризуются по крайней мере
двумя четкими ответными реакциями на Fe-дефицит (рис. 6. 2):
активацией в клетках корней редуктаз, участвующих в
восстановлении Fe (III) до Fe (II) и повышением нетго-экскреции корнями
протонов. Во многих случаях эти реакции сопровождаются
продуцированием корнями редуцирующих или хелатирующих
соединений, например фенолов.
Наиболее чувствительная к Fe-дефициту и типичная реакция
растений стратегии I заключается в увеличении активности
редуктаз. В условиях достаточной обеспеченности железом и его
дефицита редуктазы растений имеют сходные характеристики и
локализованы в плазмалемме ризодермальных клеток. При дефиците
189
Стратегия I
Плазматическая мембрана
Рис б. 2 Поглощение железа корнями растений стратегии I
[воспроизведено по: S Mori Metal Ions in Biological Systems
1998 Vol 35. P 217; с любезного разрешения Marcel Dekker Inc J
железа увеличение редуктазной активности корней сопровождается
появлением в плазмалемме нового белка с молекулярной массой
около 70 кД. Донорами электронов для Fe-редуктазы служат
НАДФН или НАДН. Возрастание редуктазной активности ведет к
интенсивному восстановлению растворимых Fe (Ш)-хелатов и
повышению скорости их расщепления, которое, по-видимому,
необходимо ддя поглощения железа корнями. До сих пор не раскрыт
механизм транспорта восстановленного железа в цитоплазму. Пока
не ясно, участвует в этом процессе редуктаза или какой-то другой
белок. Известно, однако, что активность редуктаз и скорость
поглощения железа находятся под строгим генетическим контролем и,
вероятно, контролируются одним доминантным геном.
Высвобождение корнями в условиях Fe-дефицита протонов
связывают с функционированием в плазмалемме Н+-АТФаз. Вклад
в этот процесс редуктаз, по-видимому, незначителен. Работа Н+-
АТФаз сопровождается снижением величины рН в ризосфере, что
способствует как увеличению растворимости неорганических
соединений железа, так и оптимизации условий для работы редук-
190
таз. Оптимальное для работы последних значение рН находится в
кислом диапазоне (рН 5).
В ряде случаев первые две реакции растений стратегии I
сопровождаются появлением корневых экссудатов восстанавливающих/
хелатирующих веществ. В их составе идентифицированы
соединения фенольной природы. Среди них важная роль в
мобилизации железа принадлежит кофейной кислоте, которая может
восстанавливать Fe (III) до Fe (II). Одна молекула кофейной
кислоты способна восстановить девять атомов Fe (III) до Fe (II). Реакция
состоит из двух основных этапов (рис. 6. 3). Первый этап очень
короткий. Он включает перенос пяти электронов от молекулы
кофейной кислоты до Fe (III) и образование промежуточного
продукта I неидентифицированной природы. На втором этапе,
относительно длинном, промежуточный продукт распадается с
образованием двух компонентов А и В (их природа также точно не
установлена). С участием компонентов А и В осуществляется перенос
еще четырех электронов на Fe (III). Рассмотренная реакция
восстановления кофейной кислотой Fe (III) до Fe (И) может
происходить в свободном пространстве и ризосфере корня. Вместе с тем
оптимум этой реакции находится в кислой среде (рН 3—4), что
ограничивает ее адаптивное значение в почвах с высокими
значениями рН и большой буферной емкостью.
НО
Быстрая стадия реакции
СН=СН-СООН + 2Fe3+ -
+ 2Fe2+
ч /
но
сн-соон
о
3Fe3+
Г + 3Fe2+
Медленная стадия реакции
I — Л + В
А + В + 4Fe3* -* 4Fe2+ + Продукты распада
Рис 6. 3. Этапы окислительно-восстановительных реакций
между Fe (III) и кофейной кислотой [по Deiana et al., 1992]
191
Рассмотренные ответные реакции растений стратегии I на Fe-
стресс тесно связаны с морфологическими изменениями в структуре
клеток корня — образованием в его апикальной зоне ризодермаль-
ных переходных клеток. Они характеризуются интенсивным развитием
протуберанцев клеточной стенки, плотной цитоплазмой с большим
числом митохондрий, шероховатым эндоплазматическим ретику-
лумом, амебоидными пластидами.
Н+-АТФазы, активность которых индуцируется Fe-стрессом,
локализованы на плазмалемме переходных клеток. В этих клетках
синтезируется лимонная кислота, аккумулирующаяся в корнях в
период Fe-дефицита и играющая важную роль в транспорте
железа в побег. Как известно, синтез цитрата и других
органических кислот происходит в митохондриях. Скопление митохондрий
в переходных клетках, очевидно, можно рассматривать как
приспособительный фактор, обеспечивающий растения в условиях Fe-
дефицита необходимыми для растворения железа хелатирующими
агентами. Кроме того, органические кислоты (малат, цитрат)
могут быть источниками дополнительных протонов, выделяемых
корнями. У растений томата аккумуляцию лимонной кислоты в
корнях при Fe-дефиците связывают со снижением активности акони-
тазы. Вместе с тем в корнях бобовых активность аконитазы при Fe-
дефиците не меняется, несмотря на накопление лимонной кислоты.
Следует, однако, отметить, что избыточное накопление в
корне органических кислот в сочетании с аккумуляцией некоторых
микроэлементов (Си, Мп), обычно наблюдаемой в условиях Fe-
дефицита, может привести к подавлению фотохимической
активности хелатов, участвующих в транспорте железа в побег, и
обострению признаков хлороза (подробнее см. 5. 2. 2). В целом
образование переходных клеток рассматривается в настоящее время как
типичный морфологический признак растений стратегии I.
В условиях Fe-дефицита дифференцировка ризодермы,
ведущая к образованию в корне переходных клеток, иногда
сопровождается аналогичной дифференцировкой паренхимных клеток,
окружающих сосуды ксилемы. Для паренхимных клеток типичны
плотная цитоплазма и большое скопление митохондрий.
Возможно, эти клетки участвуют в активном транспорте железа в
ксилему. Кроме того, переходные клетки могут формироваться в
побеге и жилках листьев. Сигнал (вероятно, гормональной природы)
для начала дифференцировки и формирования переходных кле-
192
ток поступает из молодых развивающихся тканей, наиболее остро
«ощущающих» недостаток железа. Например, обработка листьев аб-
сцизовой кислотой и цитокинином увеличивает транспорт железа
из корней в побег. Под влиянием ауксина, поступающего из
побега в корни, усиливается работа АТФ-зависимой протонной
помпы, что также облегчает транспорт железа в побег.
Для растений стратегии I разных видов обнаружена тесная
положительная корреляция между активностью адаптивных реакций
на Fe-дефицит (активность редуктаз и протонной помпы) и
устойчивостью к заболеванию карбонатным хлорозом. Эта
закономерность проявляется и у растений одного вида. При
возделывании на карбонатных почвах культурные растения устойчивых
генотипов отличаются высокой продуктивностью.
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ
Выявлено несколько факторов, снижающих эффективность
работы механизмов стратегии I и обостряющих проявление
карбонатного хлороза у растений. Наиболее важные среди них —
повышенные концентрации в питательной среде бикарбонатов,
нитратов, фосфатов и тяжелых металлов.
Ключевая роль в регуляции обмена железа у растений
стратегии 1 принадлежит бикарбонатам, входящим как составная часть
в буферную систему карбонатных почв. Под влиянием
бикарбонатов (НС03~) снижается продуктивность и нарушается обмен
железа у растений стратегии I многих видов (подсолнечник, бобы,
виноград). Переувлажнение и уплотнение почвы усугубляют
заболевание растений хлорозом, что происходит вследствие
повышения концентрации в почве бикарбонатов. Механизм
физиологического действия НС03~ связывают с регуляцией рН среды.
Увеличение концентрации бикарбонатов в почве способствует не
только повышению рН и снижению подвижности соединений
железа, но и нейтрализации продуцируемых корнями протонов и
подщелачиванию ризосферы растений стратегии I. В результате
нарушаются функционирование Fe-редуктаз корня и поглощение
железа корнями растений этой группы. Нарушения на уровне
поглощения железа корнем негативно отражаются на транспорте
этого микроэлемента в побег и распределении в листьях.
193
Сведения о влиянии бикарбонатов на реакцию среды
цитоплазмы клеток листьев противоречивы. Увеличение под
воздействием НСОэ~ значения рН зафиксировано в опытах с листьями
подсолнечника и подвоев винограда. Повышением значений рН
цитоплазмы клеток объясняют инактивацию железа в листьях. Однако
в опытах с водными культурами подсолнечника эта точка зрения
не подтверждена. Реакция растений на воздействие бикарбонат-
иона биологически специфична. По мнению ряда авторов,
наибольшей устойчивостью характеризуются Fe-эффективные виды.
Обострение признаков карбонатного хлороза у растений
стратегии I может наблюдаться и при использовании нитратов в
качестве источника азотного питания. Механизмы действия
нитратов и бикарбонатов на обмен железа у растений могут быть
сходны и заключаются в регуляции реакции среды. Выделение ОН" и
подщелачивание цитоплазмы клеток листьев происходят в процессе
восстановления нитратов на стадии протонирования нитрита.
Возможно, при нитратном питании в листьях и корнях растений
происходят аналогичные процессы: повышается рН апопласта, что
отрицательно сказывается на восстановлении Ре(Ш)-соединений,
в основном Ре(Ш)-цитрата. Поэтому транспорт железа в клетки
корней и листьев уменьшается. При этом рост и формирование
новых листьев (подсолнечник) более чувствительны к недостатку
железа, чем содержание в листьях хлорофилла. Потребность в
железе у растений подсолнечника на питательной среде с
нитратом в 1,6 раза выше, чем на аммонийной среде.
В быстро растущих молодых листьях часть (около 10 %) апопласта
характеризуется высокими значениями рН (6,5—7). Обнаружена
высокая отрицательная корреляция между рН апопласта или сока
листьев и содержанием в последних хлорофилла. Одна из причин
подавления роста меристем листьев состоит в уменьшении
активности рибонуклеотидредуктазы. Этот фермент содержит железо и
катализирует восстановление рибозы до дезоксирибозы. В
результате при нарушении снабжения молодых листьев железом
подавляется синтез ДНК. В наибольшей степени симптомы хлороза
проявляются при содержании в питательной среде нитратов и
бикарбонатов. Видовые и сортовые различия в азотном обмене и
нитратредуктазной активности растений, вероятно,
взаимосвязаны с генотипической спецификой их Fe-адаптивных реакций.
Мнения о характере влияния фосфатов на Fe-обмен растений
неоднозначны. В полевых опытах с длительным и интенсивным
194
применением фосфорных удобрений не выявлено корреляции
между содержанием в почве фосфора и степенью проявления у
растений хлороза. В водных культурах повышенная концентрация
фосфора в питательном растворе может индуцировать типичные
признаки хлороза растений. Одна из причин появления последнего
заключается в образовании малорастворимых в воде фосфатов
металла, другая состоит в подавлении активности Fe-редуктаз
корня. В природных условиях этот эффект практически не
наблюдается, вероятно, вследствие пониженного содержания фосфора
вокруг корневых систем и пространственной разобщенности зон
поглощения этих элементов на поверхности корня.
Подавление Fe-редуктазной активности корней происходит и
под влиянием тяжелых металлов (медь, никель, молибден, цинк,
марганец). Наибольший ингибирующий эффект вызывают медь
и никель. Толерантность к действию тяжелых металлов выше у
растений Fe-эффективных видов стратегии I, с большей редуктаз-
ной активностью.
6. 2. 2. Растения стратегии II
МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ
Группа стратегии II представлена только растениями семейства
злаков. Для растений стратегии II характерны особые хелатирую-
щие вещества (фитосидерофоры), выделяемые в условиях Fe-де-
фицита, и высокоэффективная по отношению к их комплексам с
Fe (III) поглотительная система (транслокатор) (рис. 6. 4).
Продуцирование фитосидерофоров происходит также в ответ на
дефицит цинка. Однако механизм действия цинка, в отличие от
железа, на этот процесс пока не изучен. Фитосидерофоры представляют
собой производные никотинаминов (мугеневая, авеневая кислоты):
соо соо соон сосг соо- соон
;™^Й„Л/\Н „о/^нЛ^-ЙнГ-Ан
Мугеневая кислота Авеневая кислота
Предшественниками фитосидерофоров служат метионин и ни-
котинамин:
195
авеневая кислота
метионин ► никотинамин > 2'-диоксимугейевая кислота ►
> мугеневая кислота > 3- гидроксимугеневая кислота.
дл rr^P^s-. мугеневая кислота (слева), обра
21 JC^ / ОаЮСН2 зуют с Fe (III) высокоустойгс
Kj \^yCo^ _/, комплексы, IgiSf порядка 33
I О .n«--^y^ -^
Н2С^/ I NH
Н Фитосидерофоры, такие как
мугеневая кислота (слева),
образуют с Fe (III) высокоустойчивые
юплексы, lg iSf порядка 33.
Транспортная система расте-
^/ I /^Н ний стРатегии И локализована в
СН7 он ^ /н плазмалемме клеток корня. Этот
^\ Ь^Лу транслокатор обладает высокой
СН2 с==0 специфичностью к Fe (Ш)-фито-
сидерофорам и в основном
участвует в переносе железа. Недостаток железа не только индуцирует
синтез фитосидерофоров, но и повышает скорость работы
транспортирующей системы. Несмотря на то что фитосидерофоры
могут образовывать комплексы с другими микроэлементами: цинком,
медью, марганцем, сродство транспортной системы растений
стратегии II к этим комплексам низкое. Тем не менее
фитосидерофоры могут косвенно увеличивать скорость поглощения корнем
таких микроэлементов за счет повышения их мобильности в
ризосфере и апопласте.
Выделение фитосидерофоров корнями, индуцированное Fe-
стрессом, происходит согласно довольно четкому суточному
ритму. Оно начинается примерно через два часа после начала
освещения и продолжается в течение четырех—шести часов.
Интенсивное выделение в течение короткого периода фитосидерофоров
снижает вероятность их разложения микроорганизмами
ризосферы и повышает эффективность мобилизации железа в почве.
Механизмы регуляции суточной ритмики выделения
фитосидерофоров полностью не ясны. Активность ферментов
биосинтеза фитосидерофоров: никотинаминсинтетазы и никотинаминтранс-
феразы, не подвержена соответствующим колебаниям. Суточная
динамика выделения фитосидерофоров коррелирует с
появлением и исчезновением в клетках кончиков корней везикул и,
вероятно, не связана с динамикой продуктов фотосинтеза.
196
\
Стратегия IT
(Трансфактор)
=* X + Fe (II)
♦
^Промотер у i
Цитоплазма
/
мРНК
чЛЛЛЛЛЛ/4
♦
Метионин Белки
S-аденозилметиони'
(САМ)
Никотинамин
Мугеневая кислота
(МК)
Плазматическая мембрана
К+
Ризосфера
Н+Т \ Транспортный
1С
н+
>Г
белок
Сг—Т\ t
Fe (III) —частш
Fe (III) MK
Рис. б. 4. Поглощение железа корнями растений стратегии II
[воспроизведено по: S. Mori. Metal Ions in Biological Systems. 1998
Vol. 35. P. 218; с любезного разрешения Marcel Dekker. Inc.]
Кроме корней фитосидерофоры обнаружены в побеге, как
правило, в молодых растущих тканях. Однако в наибольшей степени
фитосидерофоры выделяются в апикальных зонах корней. В этих
же зонах, вероятно, сосредоточен основной синтез фитосидерофо-
ров. Во всяком случае наибольшее накопление никотинаминов
также регистрируют в кончиках корней. Первоначально
содержание фитосидерофоров в побеге объясняли их поступлением из
197
апикальных частей корней. Затем была выявлена разница состава
фитосидерофоров в побеге и корне. Кроме того, эти природные
хелаторы не обнаружены во флоэмном соке. Поэтому побег,
наряду с кончиками корней, можно рассматривать как одно из
вероятных мест синтеза фитосидерофоров в растении. О
физиологических функциях фитосидерофоров в листьях практически
ничего не известно. С учетом свойств этих соединений допускается
возможность их участия в хелатировании Fe (III) и оптимизации
транспорта железа в побеге. Фитосидерофоры в побеге, как и в
корнях, могут осаждаться в апопласте клеток листьев в виде
комплексов с Fe (III). До сих пор, однако, неизвестно, существует ли в
плазматической мембране листьев растений стратегии II
специфический переносчик фитосидерофорных комплексов железа.
С помощью 59Fe у ячменя в базальной части листьев
обнаружена зона меристематических клеток, которая получила название
«дискриминационный центр» транспорта питательных веществ
(рис. 6. 5). Предположительно, этот центр участвует в контроле за
перераспределением железа в растениях стратегии II.
Транспорт Fe-фитосидерофорных комплексов в побег зависит
от условий освещения (рис. 6. 5). Например, транспорт 59Fe из
корней в полностью затемненные листья ячменя прекращается.
Когда затеняли только среднюю часть листьев, поступление
железа в мезофилл затемненных участков листовой пластинки
уменьшалось, а транспорт 59Fe происходил в жилках листа.
Следовательно, радиальный транспорт железа в листе из ксилемы к клеткам
мезофилла регулируется светом. Возможно, светозависимый
контроль за поступлением железа в клетки мезофилла осуществляют
хлоропласта, так как оно сосредоточено в этих структурах листа.
Освещение хлоропластов ячменя в течение 1 ч способствовало
увеличению поглощения хлоропластами железа с 0,4 до 1,15 мкг/мг
хлорофилла. Поглощение железа хлоропластами на свету почти
полностью подавляется дихлорфенилдиметилмочевиной (10~5 моль/л),
значит, оно не связано напрямую с фитохромной системой.
Конкретные механизмы транспорта железа в хлоропласт к
настоящему времени изучены недостаточно.
В темноте хлоропласта не поглощают, а напротив, выделяют
железо. Этот феномен лежит в основе ремобилизации железа в
листьях, более интенсивной в темноте. Затемнение нижних
листьев у Fe-дефицитных бобов способствует накоплению этого микро-
198
hv
Ксилема
Флоэма
Лист
///////// //У///////////
Корень
Fe (III) - МК
Рис. 6. 5. Транспорт железа в растении ячменя (стратегия II)
в темноте и на свету [воспроизведено по: S. Mori. Metal Ions
in Biological Systems. 1998. Vol. 35. P. 234;
с любезного разрешения Marcel Dekker. Inc].
Белыми кружками обозначены переносчики, активируемые на свету.
• черными — в темноте.
199
элемента в верхних листьях и уменьшению степени заболевания
растений хлорозом. Ремобилизация железа в листьях, вероятно,
осуществляется следующим образом: хлоропласт -► цитоплазма ->
апопласт ->> флоэма.
Устойчивость видов семейства злаков, а также отдельных форм в
пределах одного вида к заболеванию карбонатным хлорозом тесно
связана с их способностью выделять фитосвдерофоры. По
активности выделения фитосвдерофоров в условиях Fe-дефицита виды
злаков располагаются в ряду: пшеница > ячмень > рожь, овес »
кукуруза >» сорго. Очень мало сцдерофоров выделяют корни риса при
его затоплении.
Недостаток железа индуцирует синтез сидерофоров не только
у высших растений, но и у микроорганизмов, особенно у грибов
(см. 2. 2). Сидерофоры способны формировать доступные для
растений Fe (Ш)-хелаты, устойчивость которых, в целом,
сопоставима с этим показателем для фитосвдерофоров. Однако
вследствие более высокого сродства транслокатора стратегии II к фито-
сидерофорам последние поглощаются растениями со значительно
большей скоростью, чем сидерофоры. Скорость поглощения
сидерофоров и фитосидерофоров различается на два-три порядка.
Снижению конкуренции между фитосидерофорами и сидерофо-
рами за железо способствует пространственное разделение зон
корня, активно участвующих в выделении и поглощении
фитосидерофоров, и зон с высокой колонизацией бактерий.
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ
Механизмы стратегии II менее зависимы от величины рН среды,
чем механизмы стратегии I. Этим объясняется несколько большая
устойчивость злаков к хлорозу при их выращивании на карбонатных
почвах. Однако в естественных условиях эффективность
механизмов стратегии II может быть также невысокой, в частности,
вследствие быстрого разложения фитосидерофоров микроорганизмами
ризосферы, особенно при повышенных температурах. Кроме того,
эффективность хелатирующего действия фитосидерофоров зависит
от содержания в почве фосфора. В опытах с 59Fe установлено, что с
возрастанием в карбонатной почве содержания фосфатов снижается
мобилизационная в отношении железа функция фитосидерофоров.
7. МИКРОУДОБРЕНИЯ
Глава знакомит читателя с микроудобрениями,
которые представляют собой наиболее радикальное
средство борьбы с дефицитом микроэлементов у растений.
Дана характеристика основных видов микроудобрений.
Описаны способы применения микроудобрений,
получившие широкое распространение в агрономической
практике.
7.1. ВИДЫ МИКРОУДОБРЕНИЙ
Изначально низкое содержание доступных для растений форм
микроэлементов — широко распространенное явление,
характерное для многих почв мира. Это в значительной степени
обусловлено более низким содержанием микроэлементов в земной коре
по сравнению с другими химическими элементами (см. рис. 1. 1).
В почвах агроэкосистем дополнительному уменьшению
содержания подвижных соединений микроэлементов способствуют
использование различных агротехнических приемов, применение безба-
ластных минеральных удобрений и разнообразных химических
мелиорантов. К тому же усиливается сорбция микроэлементов
почвой (см. 2. 2). Кроме того, применение интенсивных
технологий сопровождается отчуждением микроэлементов из корнеоби-
таемого слоя почвы с продукцией растениеводства (табл. 7. 1).
В связи с этим дефицит микроэлементов в почвах
рассматривается как одна из основных причин, лимитирующих в настоящее время
продуктивность культурных растений в высокоразвитых странах.
Устранение дефицита микроэлементов у растений может
достигаться различными путями. Перспективно использование в
сельском хозяйстве достижений в области генетики и селекции,
связанных с созданием резистентных к дефициту микроэлементов
генотипов растений. Однако возможности компенсаторных меха-
201
Таблица 7. 1
Вынос микроэлементов с урожаем различных видов культурных
растений [модифицировано по: Mengel, Kirkby, 1987]
Культура
Злаки
ячмень: зерно, ш
солома
пшеница: зерно,
солома
овес: зерно,
солома
кукуруза: зерно,
солома
Сухие травы
люцерна
красный клевер
тимофеевка
Другие культуры
табак: листья
хлопчатник:
семена и корпия
картофель: клубни
томат: плоды
капуста
Урожай,
т/га
2,2
2,5
2,7
3,8
2,9
5,0
9,5
11,0
10,0
6,0
6,0
2,2
1,7
27,0
50,0
50,0
Си
34
11
33
11
34
34
66
55
66
45
33
33
66
44
80
44
Вынос, г/га
Мп
30
360
100
180
134
Не опр.
100
1700
500
600
340
600
120
100
145
ПО
Zn
70
60
160
56
56
330
170
359
470
400
220
80
350
60
180
| 90
низмов растений ограничены (см. гл. 6). В условиях агроцено-
за физиологическая эффективность действия таких механизмов
может существенно снижаться вследствие систематического
использования разнообразных мелиорантов (см. 6. 2.1). Кроме того,
такой подход не позволяет компенсировать неизбежное отчуждение
микроэлементов из почвы с урожаем, а также их потери вследствие
вымывания. Последнее обстоятельство особенно актуально для
ландшафтно-геохимических районов с промывным водным
режимом. Не случайно поэтому в мировой земледельческой практике
для обеспечения растений микроэлементами и восполнения их
202
запасов в почвах широко применяются разнообразные виды
микроудобрений.
Все удобрения разделяют на две основные группы:
минеральные и органические. В свою очередь, минеральные удобрения
делят в зависимости от вида основного питательного элемента
(макро- или микроэлемент) на макро- и микроудобрения. Последние
могут быть представлены как собственно минеральными
формами, так и органоминеральными соединениями. Микроудобрения,
как правило, классифицируют по основному микроэлементу,
который они содержат (железосодержащие, марганцевые, цинковые
и др.). Макроудобрения не относятся к абсолютно химически
чистым соединениям и могут содержать микроэлементы в виде
примесей. В почвы определенное количество микроэлементов
привносится и с органическими формами удобрений. В агрономической
практике часто используют различные отходы промышленности,
обогащенные микроэлементами.
ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИЕ
Наиболее широкое распространение получило использование
комплексов железа и некоторых отходов промышленности,
содержащих этот элемент.
Комплексы железа. Получают путем смешивания солей
железа (железного купороса) с комплексонами (хелаторами).
Характеристика основных видов комплексонов, используемых в
растениеводстве, приведена выше (см. 5. 2). Массовая доля
железа в комплексонатах составляет от 10 до 17 %. Ценность хелатов
определяется их устойчивостью к диссоциации в широком
диапазоне рН и к микробиологическому разложению, высокой
растворимостью в воде, низкой токсичностью, технологичностью
их форм. Хелаторы применяются как в форме отдельных
комплексов с микроэлементами, так и в составе макроудобрений.
В последнем случае комплексоны необходимы для улучшения
физико-химических свойств туков и повышения их
агрономической ценности. Содержащиеся в некоторых видах
макроудобрений примеси микроэлементов в силу своей малой
растворимости в воде биологически инертны. Мобилизации
микроэлементов способствует введение на определенных технологических
203
стадиях получения минеральных удобрений комплексонов и ком-
плексонатов. Этими соединениями модифицируют
нитроаммофоску, аммофос, кальциевую селитру, карбамид, суперфосфат,
жидкие комплексные удобрения на основе ортофосфорной
кислоты. Весьма эффективно использование гидроксиэтилиденди-
фосфорной кислоты (ОЭДФ), образующей стабильные
комплексы с большинством металлов в широком диапазоне рН.
Обычно дозы комплексона рассчитывают с учетом концентрации
микроэлементов в сырье, с тем чтобы получить хелаты экви-
молярного состава.
При модификации комплексонами изменяются
физико-химические свойства макроудобрений. Так, по сравнению с обычными
удобрениями прочность частиц модифицированной селитры
повышается на 30 %, а ее слеживаемость уменьшается в три раза.
Применение ОЭДФ в технологическом процессе получения
двойного суперфосфата способствует сокращению расхода фосфорной
кислоты (на 5-10 %), уменьшению длительности конверсии,
получению более крупных однородных кристаллов и снижению сле-
живаемости продуктов.
Физиологическая активность модифицированных
комплексонами удобрений во многом зависит от технологии их
приготовления. Например, действие на продуктивность растений аммофоса
выше, когда комплексонат меди нанесен на поверхность гранул.
Добавление комплексонов к суперфосфату на стадии грануляции
не изменяет физиологических свойств удобрения. В целом по
эффективности устранения у растений дефицита микроэлементов
комплексоны и комплексонаты превосходят традиционные
формы микроудобрений — минеральные соли. Пролонгированию
биологического действия менее устойчивых, но более дешевых хела-
тов железа способствует их капсулирование природными
смолами и сочетание с твердыми носителями, в частности с пиритными
огарками.
Пиритные огарки. Отходы целлюлозо-бумажной
промышленности и производства серной кислоты. В огарках, получаемых
обжигом флотационных колчеданов, содержится до 46—47 %
железа, содержание других микроэлементов не превышает 0,5—0,7 %.
Вносят в почвы в дозах до 5 т/га. Медленнодействующее
удобрение; биологический эффект достигается, если корневые системы
растений контактируют с очагом внесения пиритных огарков.
204
Отходы гидролизной и целлюлозо-бумажной промышленности.
Используют как относительно безопасные в экологическом плане
комплексообразователи, характеризующиеся низкой
себестоимостью. Наиболее широкое распространение получили продукты
взаимодействия минеральных солей железа с отходами древесины:
лигносульфонатами, фенолами, полифлавоноидами.
Перспективным сырьем для получения дешевых и экологически безопасных
комплексонов служит гидролизный лигнин. Природный лигнин —
важнейший источник гумусовых веществ почвы не только по
причине его высокого содержания в растительных остатках и
относительной устойчивости, но и в силу химического состава. Это
нерегулярный полимер с разветвленными макромолекулами,
построенными из остатков замещенных фенолоспиртов.
Особенности химического состава лигнина обусловливают возможность
появления большого числа разнообразных продуктов, в
частности фенолов и хинонов — прямых предшественников гумино-
вых соединений. Последние характеризуются большим
количеством функциональных групп, способных взаимодействовать с
минеральными компонентами почвы, в том числе и с
микроэлементами. Гидролизный лигнин отличается от природного
большей конденсированностыо и новообразованными
многоядерными системами, которые создают непрерывную углерод-
углеродную сеть, разрыхленную сохранившимися
кислородными мостиками (связи С—О—С).
В качестве перспективной технологии промышленной
переработки гидролизного лигнина с получением хелатирующих
веществ относительно низкой себестоимости может
рассматриваться процесс окислительной деструкции лигнина азотной
кислотой. По физико-химическим свойствам, составу элементов и
функциональным группам получаемые продукты близки к
природным фульвокислотам. Производные окислительной
деструкции гидролизного лигнина содержат большое количество
разнообразных функциональных групп, участвующих в комплек-
сообразовании с катионами металлов. По комплексообразующей
способности производные гидролизного лигнина превосходят
лигносульфонаты — отходы целлюлозо-бумажной (не
гидролизной) промышленности. В результате при подготовке антихло-
розных препаратов значительно снижается расход производных
лигнина.
205
МАРГАНЦЕВЫЕ
Основным источником марганца для производства удобрений
выступают оксидные марганцевые руды осадочного происхождения.
Марганцевые руды разделяют в зависимости от содержания в них
основного вещества и железа на три класса: марганцевые —
содержат более 40 % марганца и менее 10 % железа; железомарганцевые —
содержат 5—40 % марганца и 10—35 % железа; марганцовистые
железные — не более 5 % марганца. В оксидных рудах соединения
марганца плохо растворимы в кислотах. Поэтому для производства
удобрений эффективнее использовать карбонатные марганцевые руды
или отходы промышленности, прошедшие стадию
восстановительного обжига и содержащие марганец в форме МпО. Для получения
различных форм удобрений в основном используют оксид и
сульфат марганца. Эти формы марганца применяют и самостоятельно.
Физиологическая эффективность соединений марганца изменяется
в раду: MnS04> MnO >МпСОэ >Мп02. Для нужд сельского
хозяйства производят несколько основных видов марганцевых удобрений.
Сернокислый марганец. Кристаллический порошок, хорошо
растворимый в воде. Сульфат марганца содержит не менее 20 %
марганца. Получают сернокислотным способом из пиролюзитной
или карбонатной руд, которые предварительно обжигают. Для
некорневой подкормки и обработки семян используют водные
растворы сульфата марганца в концентрации 0,01—0,5 %. При
внесении в почву доза этой соли составляет 5—15 кг/га.
Хлористый марганец. Хорошо растворимый в воде порошок,
содержит около 17 % марганца. Применяют как сульфат марганца.
Марганизированный суперфосфат. Гранулированное удобрение,
содержит около 1—2 % марганца и 18—19 % пятиоксида фосфора. В
двойном суперфосфате содержание фосфора вдвое выше. От 70 до
80 % марганца в продукте содержится в водорастворимой форме.
Изготавливают путем механического смешивания марганцевого
концентрата с суперфосфатом на стадии грануляции. В технологическом
процессе оксиды марганца взаимодействуют со свободной
фосфорной кислотой с образованием дигидро- и гидрофосфатов марганца:
2Н3Р04 + МпО = Мп(Н2Р04)2> Н20,
Н3Р04 + МпО= МпНР04 + Н20.
Применяется главным образом для внесения в почву.
206
Марганцевые шлаки и шламы. Отходы производства сталей и
марганцевого производства. Разнообразны по составу, содержат от
10 до 17 % марганца. Кроме того, могут содержать значительное
количество оксидов кальция и магния, кремнекислоты,
полуторных оксидов, немного соединений фосфора и серы. Удобрение
обычно используют для внесения в почву.
ЦИНКОВЫЕ
Соединения цинка для минеральных удобрений в основном
получают в результате переработки полиметаллических
сульфидных руд. В процессе обогащения руды образуется цинковый
концентрат с основным цинксодержащим минералом сфарелитом
(ZnS). Из сульфидных руд цинк извлекают пирометаллургичес-
ким или гидрометаллургическим способом. Первый способ
основан на восстановлении обожженного концентрата углем и
отгонке паров цинка. В основе второго способа лежит электролиз
растворов, полученных при обработке серной кислотой цинкового
концентрата. Значительное количество металлического цинка и его
соединений получают при переработке вторичных цветных
металлов, различных промышленных отходов. Производят несколько
основных цинковых удобрений.
Сернокислый цинк (ZnS04 • 7 H20, ZnS04). Белый
кристаллический порошок, содержит до 25 % цинка, хорошо растворим в
воде. Производят путем растворения цинксодержащего сырья в
серной кислоте. В основном применяют для предпосевной
обработки семян и некорневых подкормок растений. Сернокислый цинк
может быть использован в виде порошка для опыливания семян (доза
0,5—1 кг/т) или водных растворов с концентрацией 0,05—0,1 %.
Суперфосфат с цинком. Получают путем смешивания
соединений цинка с суперфосфатом на стадии грануляции. Удобрение
содержит около 0,5—0,8 % цинка в основном в форме дигидро-
фосфата. Водорастворимые соединения цинка составляют 80—85 %
его общего количества, а цитратрастворимые формы 15—20 %.
В двойном гранулированном суперфосфате количество цитрат-
растворимых форм цинка выше.
Цинковые полимикроудобрения (ПМУ). Темно-серый порошок,
содержит до 25 % цинка, а также относительно небольшое количество
207
алюминия, меди, магния, марганца, железа и других элементов.
Изготавливают из промышленных отходов при производстве белил.
Применяют для предпосевной обработки семян (до 4 кг/т) и
внесения в почву (3—5 кг/га).
МЕДНЫЕ
Источниками для промышленного получения медьсодержащих
удобрений служат различные руды. Содержание меди в них
редко превышает 2 %. Медные руды представляют собой
комплексное сырье, поэтому в процессе их технологической переработки
получают соединения не только меди, но и других металлов. Из
природного сырья медь извлекают пирометаллургическим или гвд-
рометаллургическим методом. Значительное количество меди и ее
соединений получают в результате переработки вторичных
цветных металлов. Основные виды медьсодержащих удобрений
приведены ниже.
Сернокислая медь (CuS04 • 5Н20 — медный купорос, CuS04 • Н20).
Кристаллическая соль голубовато-синего цвета, содержит меди
25—35 %, в зависимости от степени гидратированности, хорошо
растворима в воде. Получают растворением гранул или порошка
металлической меди в серной кислоте. Используют в основном
для предпосевной обработки семян и некорневых подкормок
растений. Водные растворы сернокислой меди для некорневых
подкормок имеют концентрацию 0,02—0,05 %, для обработки семян
0,02—0,1%. Опыливают семена сульфатом меди из расчета 0,5—
1 кг/т.
Суперфосфат с медью. Получают в технологическом цикле
производства суперфосфата путем введения медьсодержащей
добавки, главным образом сернокислой меди. В удобрении
микроэлемент содержится в виде дигидрофосфата, массовая доля меди
составляет 0,4—0,8 %.
Пиритные огарки. Промышленный отход производства серной
кислоты и целлюлозо-бумажной промышленности.
Характеризуются низким содержанием меди (до 0,3—0,7 %), которая
находится в форме сульфатов, сульфидов и оксидов, и высоким
содержание железа (до 45—50 %). Содержат также другие
микроэлементы: марганец, цинк, молибден, кобальт и др. Недостаток пиритных
208
огарков состоит в том, что в них мало меди и много баластных
элементов, в том числе токсичных (Pb, As). Используют только
для внесения в почву.
МОЛИБДЕНОВЫЕ
Эти удобрения получают из молибденовых руд, в которых
массовая доля молибдена составляет 0,1—1 %. Кроме того, при
получении молибдена используют различные отходы
промышленности, например электролампового производства.
Молибдат аммония (молибденовокислый аммоний). Это
соединение получают из молибденовых концентратов, которые
предварительно подвергают окислительному обжигу. В результате
молибденит (MoS2) превращается в оксид молибдена (МоОэ). Из
огарков молибден извлекают 8— 10%-ным раствором аммиака. Молибдат
аммония растворим в воде, содержит около 52 % молибдена.
Используется для предпосевной обработки семян (0,2—6 кг/т), а также
для некорневой подкормки растений в виде водных растворов
концентрацией 0,05—0,1 %.
Молибденизированный суперфосфат. Простой суперфосфат
содержит около 0,1—0,2 % молибдена и 20 % пятиоксида фосфора.
Изготавливают путем смешивания соединений молибдена с
суперфосфатом в процессе грануляции. Наибольшая эффективность
достигается при внесении в рядки при посеве в дозе 50—100 кг/га. Двойной
суперфосфат содержит около 0,2 % молибдена и 43—45 %
пятиоксида фосфора, это удобрение вносят в радки из расчета 25-50 кг/га.
Отходы электроламповой промышленности. Растворимый в воде
порошок, содержащий около 5 % молибдена и 90 % сульфатных
и нитратных солей аммония. Молибден находится в форме молиб-
дата аммония. Применяется, как молибдат аммония.
БОРНЫЕ
Соединения бора получают из боросиликатных руд, главным
образом из датолитовых и данбуритовых. Турмалиновые руды также
можно использовать для получения соединений бора, но после
предварительного извлечения цветных металлов. Вследствие
209
колебаний минералогического состава содержание В203 в борато-
вых рудах изменяется в широких пределах — от 1 до 27 %.
Практически весь ассортимент борсодержащих удобрений
производится с использованием борной кислоты.
Борная кислота. В нашей стране борную кислоту получают в
основном из датолитового сырья при обработке серной кислотой.
Это наиболее концентрированное борное удобрение, содержащее
около 17 % бора. Представляет собой порошок белого цвета,
хорошо растворимый в воде. Применяется для обработки семян,
некорневых подкормок, а также в качестве компонента,
содержащего бор, в составе сложных и смешанных удобрений. Для
обработки семян и некорневых подкормок рекомендуют использовать 0,05—
0,1 % водные растворы.
Борный суперфосфат. В простом суперфосфате содержится не менее
0,2 % бора и около 20 % пятиоксида фосфора. В двойном
суперфосфате содержание бора и фосфора примерно в два раза выше. При
производстве борфосфорных удобрений выдерживается соотношение
Р205: В = 100 :1. Удобрение изготавливают в результате добавления
борсодержащих добавок, в основном борной кислоты или бората
кальция, к суперфосфату в процессе грануляции. Бор в удобрении
содержится главным образом в водорастворимой форме. Вносят в
почву перед посевом или в рядки из расчета 100—400 кг/га.
Борфосфорное удобрение. Получают путем разложения датоли-
товой руды или концентрата экстракционной фосфорной
кислотой. Готовый продукт содержит до 37-38 % пятиоксида фосфора
и 1,5—1,8 % бора. Состав и применение удобрения аналогичны
таковым двойного суперфосфата с бором.
Бормагниевое удобрение. Порошок серого цвета, содержащий около
2,3 % бора и 14—20 % оксида магния. Получают из маточных
растворов, образующихся при производстве борной кислоты. Вносяг в
почву в дозах 20—60 кг/га. Поскольку бор в этом удобрении
находится в виде растворимой в воде борной кислоты, удобрение может
применяться для некорневых подкормок, а также для обработки
семян. В этом случае расход препарата составляет 10—25 кг/га.
Борнодатолитовое удобрение. Получают из датолитовой
породы (2СаО • В203 ■ 2Si02 • 2Н20) в результате ее разложения серной
кислотой. Готовый продукт представляет собой светло-серый
порошок, содержащий 9,5—10;5 % борной кислоты и 0,5—1 %
серной кислоты. Обычно вносится в почву. Может использоваться
210
самостоятельно или в составе сухих тукосмесей. По
агрохимической эффективности не уступает борной кислоте.
Борацитовая мука. Изготавливают путем размола борных руд
(СаО • MgO • ЗВзОз ■ 6Н20) без предварительной обработки.
Используют для внесения в почву.
КОБАЛЬТОВЫЕ
Соединения кобальта получают в основном при переработке
никелевых руд, в которых массовая доля элемента составляет 0,15—
0,2 %. Источниками вторичного кобальтового сырья служат
отходы производства: различные сплавы и катализаторы.
Сернокислый и хлористый кобальт — хорошо растворимые в
воде соли с содержанием кобальта до 25 %, используют для
обработки семян и некорневых подкормок в виде водных растворов с
концентрацией 0,05-0,1 %. При совместном внесении в почву с
макроудобрениями доза этих солей составляет 0,1-0,5 кг/га.
Следует отметить, что в качестве примесей кобальт содержится
во многих удобрениях: фосфоритной муке (7—11 мг/кг),
суперфосфате, томасшлаке (11 мг/кг), пиритных огарках и др.
КОМПЛЕКСНЫЕ
Микроэлементы используют также для модификации
комплексных макроудобрений, которые содержат не менее двух основных
элементов питания. Комплексные макроудобрения подразделяют
на сложные, сложносмешанные и смешанные удобрения. Сложные
удобрения производят в едином технологическом цикле в
результате химических реакций между исходными компонентами.
Сложносмешанные удобрения изготавливают, смешивая порошки
односторонних удобрений с последующим или одновременным
введением в состав смеси жидких продуктов, содержащих элементы
питания (аммиакатов, кислот и др.). Смешанные удобрения
получают в результате механического смешивания не менее двух
простых удобрений.
В мировой агрохимической практике широкое распространение
получила модификация микроэлементами сложных удобрений.
211
Производство сложных удобрений и их модифицированных
микроэлементами форм осуществляют на одних и тех же установках.
В нашей стране микроэлементами обогащают аммофос, диаммо-
фос, карбоаммофоску, нитродиаммофос, нитроаммофоску,
нитрофоску и др. Содержание микроэлементов в этих удобрениях колеблется
в зависимости от технологии изготовления в следующих пределах:
марганец 1-3 %, цинк 0,3—0,8, медь 0,6—0,9, кобальт около 0,1, бор
0,2 —0,5 %. Дозы этих удобрений рассчитываются главным образом
с учетом содержания в них и в почвах макроэлементов.
Эффективно применение микроэлементов в составе жидких
удобрений, в том числе и комплексных (ЖКУ). Производство ЖКУ
считается перспективной отраслью туковой промышленности
развитых стран. Обычно эти комплексные удобрения практически не
содержат вредных примесей (мышьяка, фтора, хлора, тяжелых
металлов). В состав ЖКУ вводят кроме основных элементов
питания и микроэлементов витамины, аминокислоты, стимуляторы
роста, хелатирующие агенты и другие биологически активные
соединения. В качестве базовых растворов ЖКУ широко применяют растворы
полифосфата аммония, карбамидно-аммиачной смеси, а также
смесей азотных, фосфорных и калийных удобрений. Растворимость
соединений микроэлементов в орто- и полифосфатных растворах
повышается с увеличением содержания в растворе полифосфатов.
Содержание суммы микроэлементов в таких растворах достигает 3,5 %.
В базовых растворах микроэлементы образуют с полифосфатами
аммония комплексы различного состава, оказывающие влияние на
температуру растворов и их вязкость. Повышенная вязкость
растворов может осложнять их использование для проведения подкормок.
За рубежом микроэлементы добавляют преимущественно в форме
хелатов. В технологиях по производству суспензий применяют
суспендирующие добавки: бентонит, силикатную глину, лигносульфо-
новые кислоты, поливиниловый спирт и др. При производстве ЖКУ
необходимо учитывать растворимость их компонентов в смесях.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ
Для предотвращения вымывания микроэлементов из корнеоби-
таемого слоя почвы и оптимизации минерального питания
растений кроме различных отходов производства применяются
специальные удобрения с замедленной растворимостью соединений
212
микроэлементов. Специальные микроудобрения
пролонгированного действия получают в технологическом цикле с
использованием стекловидных и аморфных веществ, а также субстратов с
ионообменными свойствами. Широко распространена технология
изготовления медленнодействующих микроудобрений путем
плавления исходных компонентов и образования стекловидных веществ.
В зарубежной практике эти удобрения называются фриттами. Для
получения фриттов соединения микроэлементов (соли, оксиды,
гидроксиды), фосфаты щелочных или щелочноземельных
металлов, кремнезем и другие соединения подвергают термической
обработке при температуре 1000-1300 °С. Полученный сплав
быстро охлаждают и измельчают до размеров частиц 0,15—0,2 мм.
Разработана также технология получения стекловидного фосфорного
удобрения, обогащенного микроэлементами (Mn, Zn). Этот
способ основан на совместном плавлении аппатитового концентрата
и отходов, содержащих микроэлементы. Продукт реакции
содержит метафосфаты микроэлементов, растворимые в лимонной
кислоте (1—2 %). Стекловидные формы микроудобрения могут
эффективно действовать в течение нескольких лет.
Разработаны формы микроудобрений на основе ионообменных
смол. Последние представляют собой органические полимеры,
функциональные группы которых участвуют в ионообменных
реакциях. Структура ионитов преимущественно гелеобразная, но
производят и пористые иониты. Промышленность многих стран
выпускает ионообменные смолы с несколькими типами
ионообменных групп (катиониты и аниониты). Ионитный субстрат
насыщают солями элементов питания в динамических условиях. Для
снижения себестоимости ионитных удобрений разработаны
методы синтеза полимерной основу путем поликоцценсации лигносуль-
фоновых кислот и других отходов целлюлозо-бумажной
промышленности (катионит КС-1). Отдельные микроэлементы или их
композиции вводят в катионит в виде растворов солей по
специальной технологии. Готовая форма микроудобрения содержит
10 ± 5 % микроэлементов. Микроудобрения на полимерной
основе обладают высокой агрономической ценностью. Они плохо
растворимы в воде, а высвобождение микроэлементов из них
происходит путем ионного обмена в течение нескольких лет.
Значительная продолжительность действия микроудобрений
отмечается в случае применения фосфорных соединений микроэлемен-
213
тов. В настоящее время используют аммонийные фосфаты
марганца, цинка, меди, кобальта, а также фосфаты бора. Разработаны
способы получения удобрений на основе гидрофосфатов
микроэлементов, содержание которых можно регулировать в широком
диапазоне, изменяя реакцию среды и соотношение исходных
компонентов в технологическом цикле.
Уменьшению растворимости соединений микроэлементов
способствует также изготовление формованных удобрений с помощью
прессования, экструдирования, кристаллизации перенасыщенных
растворов. Прессование заключается в уплотнении
порошкообразных веществ, что сопровождается уменьшением их
растворимости в результате уменьшения площади наружной и капиллярной
поверхностей. В качестве исходных компонентов для производства
используют суперфосфат, карбамид, соли микроэлементов и
другие соединения. В зависимости от свойств компонентов в состав
шихты могут дополнительно вводиться связующие вещества и
наполнители. Прессованные удобрения выпускаются в широком
ассортименте в форме таблеток и цилиндрических стержней. Эк-
струдирование основано на смешивании соединений элементов
питания с различными связующими добавками. В качестве
последних используют поливиниловый спирт, мочевино-формальде-
гид, гидроксид силиката алюминия, ангидрид малеиновой
кислоты, винилацетат и другие вещества. В зависимости от технологии
смесь подвергают нагреванию при температуре 100—200 °С. Таким
способом получают удобрения в форме цилиндрических стержней.
Недостаток экструдирования состоит в необходимости нагрева
реагентов, что делает невозможным введение в состав удобрения
различных биологически активных соединений органической природы.
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ-ПРИМЕСИ
В качестве примесей микроэлементы могут содержаться как в
минеральных, так и в органических удобрениях. Содержание
микроэлементов в минеральных удобрениях зависит от состава сырья
и технологии его переработки. Фосфорные удобрения в
наибольшей степени обогащены примесями микроэлементов (табл. 7. 2).
В виде примесей в туках больше всего содержится марганца и
цинка, несколько меньше меди и кобальта, мало молибдена и бора.
214
Таблица 7. 2
Среднее содержание микроэлементов в виде примесей в минеральных
удобрениях и мелиорантах, мг/кг [модифицировано по: Анспок, 1990]
Удобрения
Фосфоритная мука
месторождение
Кингисеппа
месторождение
Каратау
Суперфосфат
Суперфосфат
двойной
Калийная соль
(сырая)
Калий хлористый
Аммиачная селитра
Аммония сульфат
Натриевая селитра
Аммофос
Мочевина
Комплексные
NPK- удобрения
Известковые
материалы
В
Мо
Не обнаружено
»
»
»
8,4
Не обн.
0,2
6,4
0,4
Не обн.
Следы
Не обн.
4,0
»
»
»
10,0
0,2
0,1
0,1
1,0
Следы
Не обн.
»
0,3
Zn'
9,9
Си
2,1
Не обнаружено
0,4
109,0
0,3
10,0
0,6
15,0
8,0
14,5
1,3
123,0
20,0
2,0
8,0
10,0
5,0
Не
9,0
Со
1,4
30,6
0,7
Не обн.
1,3
1,0
Мп
22,5
550,0
134,8
34,0
42,2
5,0
обнаружено
25,0
Не обнаружено
2,9
0,9
34,0
10,0
Следы
0,7
Не обн.
1,6
0,1
25,9
37,0
Следы
138,0
100,0
Содержание микроэлементов в органических удобрениях
также зависит от их вида. Здесь приведены усредненные значения
количества микроэлементов, привносимого с подстилочным
навозом (табл. 7. 3). Ежегодное внесение свежего навоза в дозах от 20
до 40 т/га позволяет возместить потери микроэлементов из почвы
вследствие их выноса злаковыми травами, кукурузой, бобовыми
и зернобобовыми культурами.
В макроудобрениях (органических и минеральных)
содержится какое-то количество микроэлементов, однако его не всегда
достаточно, чтобы обеспечить положительный баланс микроэлементов
в агроценозе. Это может быть обусловлено не только
относительно низким содержанием в удобрениях микроэлементов, но
215
Таблица 7. 3
Содержание микроэлементов в подстилочном навозе
с влажностью 75 % [по: Минеев, 1984]
Микроэлемент
В
Мп
Со
Си
Zn
Mo
Содержание, г/201
Минимальное
22,5
375,0
1,25
38,0
215,0
4,2
Максимальное
260,0
2745,0
23,5
204,0
1235,0
20,9
Среднее
101,0
1005,5
5,2
78,0
481,0
10,3
и нерастворимыми формами последних. Низкая подвижность
отмечена для целого ряда примесей, содержащихся в минеральных
удобрениях. В торфе некоторые микроэлементы (например, Си)
содержатся главным образом в виде слабо растворимых в воде
органических соединений. Поэтому использование таких форм
микроэлементов растениями во многом определяется степенью
минерализации органического вещества.
7. 2. СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Технологии применения микро- и макроудобрений существенно
отличаются между собой. Дозы микроудобрений во много раз
меньше, чем дозы макроудобрений, что обусловливает высокие
требования к точности дозирования и равномерности внесения
микроэлементов. Наиболее широкое распространение получили
внесение микроэлементов в почву, некорневые подкормки и
предпосевная обработка семян.
Внесение в почву. Этот способ применяют для радикального
повышения содержания микроэлементов в почвах на протяжении
всего периода вегетации растений. При внесении микроудобрений в почву
могут наблюдаться отрицательные эффекты, обусловленные
образованием труднорастворимых форм микроэлементов и их
вымыванием за пределы корнеобитаемого слоя. В связи с этим не
рекомендуется использовать дорогостоящие растворимые формы микроэлемен-
216
тов, особенно для внесения в почву с осени. В этом случае обычно
используют различные макроудобрения, модифицированные
микроэлементами, а также труднорастворимые промышленные отходы и
специальные удобрения пролонгированного действия.
Необходимо исключить возможность избыточного внесения
микроудобрений в почву. Превышение предельно допустимых
концентраций микроэлементов в почве, особенно микроэлементов,
относящихся к группе тяжелых металлов, экологически опасно, так
как приводит к загрязнению почв, природных вод,
сельскохозяйственной продукции.
Предпосевная обработка семян. Один из наиболее
распространенных способов использования микроудобрений. Он
технологичен, позволяет экономично расходовать микроудобрения и
совмещать их внесение в почву с посевом семян. Кроме того, такая
обработка способствует оптимизации питания микроэлементами
растений на самых ранних этапах их развития. Обработку семян
растений микроэлементами (табл. 7. 4 ) сочетают с применением
пленкообразующих веществ, протравителей, регуляторов роста.
Такой прием называется инкрустацией семян. В качестве пленко-
образователей применяют 2 %-ный водный раствор натриевой соли
карбоксиметилцеллюлозы (NaKMLJ) и 5 %-ный раствор поливи-
Таблица 7. 4
Дозы солей микроэлементов для инкрустации семян
[по: Чумаченко и др., 1991]
Соль микроэлемента
Цинк сернокислый
Борная кислота
Марганец
сернокислый
Медь сернокислая
Молибденовокислый
аммоний
Кобальт сернокислый
Культура
Кукуруза, пшеница, рожь,
овес, ячмень, горох, бобы
Кукуруза, горох, бобы, лен
Кукуруза, пшеница, рожь,
ячмень
Пшеница, ячмень, кукуруза,
бобы, горох
Кукуруза, соя, бобы, горох
Кукуруза, горох, бобы, вика
Доза,
г д. в. / т семян
150-200
20-40
80-140
170-200
160-250
70-80
Примечание. Д. в. — действующее вещество.
217
нилового спирта (ПВС). Расход пленкообразователей
составляет от 1 до 2,5 % массы семян. Полимерная пленка пропускает воду
и позволяет прочно удерживать химикаты на поверхности
семени. Инкрустация семян проводится заблаговременно или
непосредственно перед посевом.
Вместе с тем критерии необходимости предпосевной
обработки семян микроэлементами еще недостаточно разработаны. В
настоящее время при осуществлении этой процедуры практически
не учитывается содержание в семенах микроэлементов и
особенности их утилизации в период формирования проростка.
Некорневые подкормки. Проводят в основном при визуальном
обнаружении у растений признаков дефицита микроэлементов.
Этот способ позволяет оперативно корректировать питание
растений микроэлементами и избежать негативных последствий
внесения микроудобрений в почву. Специфика утилизации
растением химикатов при некорневых подкормках во многом
определяется структурой листа.
Первой и наиболее существенной преградой на пути
проникновения химикатов в растение выступает кутикула. Она представляет
собой липидную пленку и выполняет защитную функцию. Кугику-
лярные липиды синтезируются в эгщдермальных клетках,
распределяются на поверхности кутикулы (эпикугикулярные липиды) и
внутри полимерного матрикса (интракутикулярные лигощы),
ориентированы перпендикулярно к поверхности. Верхний слой кутикулы —
основное препятствие, лимитирующее поступление химических
соединений в растение, составляет менее 10 % ее толщины. Начальная
скорость десорбции химиката, например 2,4-Д, с внутренней
поверхности кутикулы может превышать этот показатель с внешней
стороны в шесть раз. Следовательно, кутикула асимметрична: в
поперечном направлении отмечается значительный градиент ее
проницаемости. На поверхности листа наиболее высокопроницаемые участки
кутикулы локализованы над устьицами и у основания волосков.
На основании структуры кутикулы выдвинута гипотеза транс-
кутикулярного переноса химических соединений, где
разделяются пути проникновения липофильных и полярных молекул. В
связи с липофильностью кутикулярной мембраны ее барьерная
функция в отношении растворимых в липидах молекул выражена слабо.
В кутикуле не обнаружено проницаемых для воды и
водорастворимых соединений пор. Поэтому в качестве альтернативного пути
218
транскутикулярного переноса (для воды и растворенных в ней
веществ) рассматривают дефекты в кутикуле, вызванные
кристаллизацией липидов. Кристаллизация кутикулярных липидов
происходит при обычных температурах роста и развития растений, а
количество дефектов в кутикуле обратно пропорционально размерам
кристаллов. Гипотеза, связывающая проницаемость эпидермиса для
химических соединений с эктодесмами, не подтверждена. В
настоящее время эктодесмы относят к артефактам.
Диффузия экзогенного раствора капли через кутикулу
описана в 1980 г. Г. Хартли и И. Грахам-Брисом:
v q/
где Р — проницаемость кутикулы; / — время; V — объем капли;
А — поверхность кутикулы под каплей; С0 — начальная
концентрация вещества в капле (/= 0); С, — концентрация вещества в капле
при t > 0. Из этого уравнения вычисляется время, необходимое для
проникновения в лист половины растворенного в капле вещества
(/1/2). При CJC0 = 0,5 уравнение принимает, по Ж. Шёнхеру и
М. Ридеру (1989), вид tl/2 = (0, 693/Р) V/A.
Если капля — полусфера, то V/A = 2г/3, где г — радиус капли.
Значит, наиболее быстрое поглощение листьями растворов
происходит при минимальных размерах капли. Следовательно,
использование при некорневых подкормках концентрированных рабочих
растворов и их аэрозолей способствует ускоренному
проникновению химических соединений в лист, при этом снижается
вероятность негативного действия неконтролируемых природных
условий (температуры, влажности воздуха, ветра, осадков и т. д.).
Кутикула — не единственный барьер, препятствующий
поступлению химикатов в лист. Для проникновения в цитоплазму
близлежащих клеток вещество преодолевает сопротивление (R)
клеточных стенок и плазмалеммы эпидермы. В общем виде
составляющие сопротивления мембраны связаны, по Ж. Шёнхеру и М. Рвдеру
(1989), уравнением:
R = 1см/(К см &см) + hw/^cw + Ipl/(Kpl Dpl)>
где /— толщина.мембраны; К— коэффициент распределения
химиката; D — коэффициент диффузии; СМ— кутикулярная мембрана,
219
эё \и
0Q
О
X
Си
§§
34
К
1
Си
■ 8
5
3
X
QQ
О
X
220
CW~ клеточная стенка, PL — плазмалемма. С увеличением
толщины мембран и уменьшением их проницаемости сопротивление
покровов листа трансмембранному переносу химических веществ
возрастает. Тем не менее наибольший вклад в сопротивление вносит
кутикула.
Как и большая часть биологических мембран, покровы листа
заряжены отрицательно. Фиксированный отрицательный заряд
кутикулы обнаруживается при рН > 3. Отрицательно заряженные
функциональные группы способствуют перемещению катионов
металлов из наружного раствора в клетку по градиенту
электрохимического потенциала. Связывание ионов металлов клеточными
структурами растения происходит за счет сил электростатического
взаимодействия и по типу хелатирования. Устойчивость связей
зависит от природы металла, в частности от его координационных
свойств.
Использование хелатирующих веществ наиболее
целесообразно при проведении некорневых подкормок соединениями железа.
Основные принципы применения Fe-хелатов для борьбы с
хлорозом изложены выше (см. 5.2. 2). На эффективность некорневых
подкормок растений соединениями железа влияют многие
факторы (рисунок). Фотохимические реакции играют определяющую
роль в усвоении листьями хелатов железа. Поэтому в отличие от
корневого при некорневом питании к главным свойствам
биологически активных форм соединений железа кроме растворимости
в воде относят их фотохимическую активность.
ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ
основных визуальных симптомов дефицита
макро- и микроэлементов у растений
(по: В. В. Церлинг, 1990)
1. Симптомы развиваются на нижних,
развитых листьях, позже на всем
растении 2
1* 1. Симптомы локализуются на
молодых листьях 5
1. 2. Верхушечные почки не
отмирают 6
1. 3. Симптомы развиваются на
верхних и нижних листьях 7
2. Нижние листья желтеют. Болеет
все растение 3
2.1. Симптомы локализованы на
нижних листьях, начиная с их краев 4
3. Пожелтение начинается с нижних
листьев, с их верхушек и
распространяется на следующие (кверху) листья. У
кукурузы на нижних листьях желтеет
центральная жилка при зеленых краях. У
некоторых культур (в том числе
древесных) появляется красноватый или
багровый пигмент. Рост и плодоношение
резко ухудшены. Стебли и побеги тонкие,
деревянистые. Раннее опадение листьев недостаток азота
3.1. Нижние листья мелкие, темно-
зеленые, серовато-зеленые. У некоторых
растений (овощных и др.) нижние
поверхности листьев и стебли приобретают
пурпурно-красный цвет. Рост
заторможен. У картофеля на клубнях появляются
ржаво-желтые пятна. При длительном
голодании у плодовых формируются
тонкие побеги с мелкими или ивообразны-
ми листьями, которые становятся
оранжево-желтыми недостаток фосфора
222
4. Вдоль краев листьев появляется
потемнение, позже образуется отмершая
ткань — «краевой ожог». У хлопчатника
нижние листья ломкие, закрученные
книзу, с желтоватой крапчатостью
между жилок. У картофеля нижние листья с
впалыми жилками. Вначале верхушки и
края листьев, а позже все растение
приобретают бронзовую окраску. У томата
плоды деформированы, с черными
пятнами. У плодовых нижние листья
сморщенные, с неровными краями. Побеги
тонкие недостаток калия
4.1. Ткани между жилками нижних
листьев желтеют, белеют; жилки
зеленые. Листья хрупкие с загнутыми
краями кверху. У хлопчатника и
некоторых других растений нижние листья
приобретают багряно-пурпуровую
окраску, жилки зеленые. У плодовых на
крупных листьях между жилками
развивается некроз. Ранний опад заболевших
листьев начинается от основания побега, на
верхушках которого остается розетка
тонких темно-зеленых листьев недостаток магния
5. У проростков кукурузы 3—4-й лист
белый, без хлорофилла («белые ростки»);
позже самый верхний лист сухой,
скрученный, а нижние листья желто-бурые.
У картофеля нижние листья хлоротичны;
на средних и верхних серо-бурые,
бронзовые пятна. У овощных и бобовых
молодые листья ненормально мелкие, с
желтыми крапинками или все желтые.
Рост прекращается рано. У плодовых из
мелких, узких листьев развивается «ро-
зеточность» на верху побегов, у
основания побеги оголяются; ветвление
ослаблено. Заболевание обостряется на карбо-
натных, сильно известкованных почвах,
при высоких дозах фосфора и меди недостаток цинка
5.1. У однолетних полевых, кормовых
и овощных культур разрушаются ткани
верха стеблей, и они, теряя тургор,
сгибаются, позже отмирают. Кончики
листьев ослизняются и могут склеиваться
(например, у кукурузы). Новые побеги
теряют тургор, вянут. В мякоти клубней
картофеля появляются бурые участки
вблизи пуповины. У плодовых на
кончиках и краях верхушечных листьев
заметны некротичные, отмершие ткани.
Верхушки побега и концы
повреждаются, позже отмирают недостаток кальция
5. 2. У всех растений верхушечные
точки роста и почки отмирают. Клубни
картофеля мелкие, с трещинами. У
капусты цветной образуется коричневая,
рыхлая головка и трещины внутри стебля и
главного корня. У корнеплодов на
отмерших верхушечных тканях развивается
заболевание «гниль сердечка». У других
растений при погибшей верхушечной
почке развиваются боковые побеги, что
придает растениям вид низкорослого
куста. Почки боковых побегов также
отмирают. Листья хлоротичные, ломкие.
Бобовые образуют мало цветков и семян.
У плодовых слабое цветение и
плодоношение. На плодах образуются некрозные
пятна, на яблонях — участки пробковой
ткани и трещины. У цитрусовых —
потеки камеди недостаток бора
6. Верхние листья хлоротичны.
Жилки сначала зеленые, позже желтеют (при
остром голодании). Пожелтение
распространяется на средние и нижние листья.
Некрозы бывают редко. Ослаблено обра-
224
зование побегов у цитрусовых; слабые
побеги могут отмирать. Симптомы
появляются на щелочных и сильно
известкованных почвах недостаток железа
6.1. Верхние листья зелено-желтые,
желтые, сероватые. Жилки зеленые.
Позже хлороз переходит на нижние листья.
У зерновых колосья мелкие, верхний
лист-«флаг» рано буреет. У хлопчатника
верхние листья серо-желтые или
красновато-серые с зелеными жилками. У
картофеля болеют только верхние молодые
листья: на хлоротичной ткани появляется
множество мелких бурых крапинок. У
чайного куста желтеют самые молодые
листья-флеши, начиная с их верхушек;
жилки еще зеленые недостаток марганца
6.2. Злаковые на торфяниках или на
почвах, богатых неразложившимся
органическим веществом, не образуют
соцветий, либо они остаются недоразвитыми.
У всех растений верхние листья бледные,
соцветия уродливые. Молодые листья у
картофеля и овощных теряют тургор,
завядают. Рост растений замедлен. У
бобовых верхние листья могут увядать,
засыхать без пожелтения; сильное опадание
листьев. У цитрусовых на стеблях, ветвях
и плодах (они уродливы) пятна смоло-
видной камеди недостаток меди
7. У хлопчатника молодые листья
желто-серые или красновато-серые с
зелеными жилками. У картофеля медленно
развивается общее пожелтение листьев и
жилок, как при недостатке азота, но
листья засыхают. Рост прекращен. При
остром недостатке — на листьях пятнистость.
У овощных нижние листья толстые,
твердые, постепенно желтеют. Стебли твердые,
деревянистые, ненормально удлиненные,
веретенообразно скрученные. Корневая
система сильно развита. У бобовых
молодые листья и их жилки светло-зеленые
или желтые. У цитрусовых молодые
листья более светло-желтые, чем при
недостатке азота , недостаток серы
7.1. У капусты цветной уменьшается
листовая пластинка — сначала у
взрослых листьев, затем у молодых, а у самых
молодых остается только центральная
жилка без пластинки. Головка капусты
темная, рыхлая. У других овощных
молодые листья становятся крапчатыми. На
нижних листьях также появляется крап-
чатость. Все листья становятся
чашеобразными недостаток молибдена
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Андреева В. А. Фермент пероксидаза: Участие в защитном
механизме растений. М., 1988.
Анспок Я. Я. Микроудобрения: справочник. 2-е изд. Л., 1990.
Битюцкий Я. Я, Кащенко А. С. Комплексоны в регуляции
питания растений микроэлементами. СПб., 1996.
Власюк Я. А., Ивченко В. Я. Физиологическое значение
молибдена для растений. Киев, 1975.
Власюк Я. А., Климовицкая 3. М. Физиологическое значение
марганца для роста и развития растений. М., 1968.
Жизневская Г. Я. Медь, молибден и железо в азотном обмене
бобовых растений. М., 1972.
Кабата-Пендиас А,, Пендиас X. Микроэлементы в почвах и
растениях. Пер. с англ. М., 1989.
Липская Г. А. Кобальт и структурно-функциональная
организация листа. Минск, 1980.
Львов Я. Я. Молибден в ассимиляции азота у растений и
микроорганизмов. М., 1989.
Микроэлементы в почвах СССР/Под ред. В. А. Ковды, Н. Г. Зы-
рина. М., 1981.
Островская Л. К.у Макарова Г. М., Яковенко Г. М.
Карбонатный хлороз и хелатные удобрения. Киев, 1973.
Пейве Я. В. Агрохимия и биохимия микроэлементов.
Избранные труды. М., 1980.
Пинский Д. Л. Ионообменные процессы в почвах. Пущино, 1997.
Рудакова Э. В., Каракис К. Д.9 Сидоршина Т. Я. и др.
Микроэлементы: поступление, транспорт и физиологические функции в
растениях. Киев, 1987.
Федюшкин Б. Ф. Минеральные удобрения с микроэлементами:
Технология и применение. Л., 1989.
Физиология растительных организмов / Под ред. Н. М. Чернав-
ской. М., 1989.
Церлинг В. В. Диагностика питания сельскохозяйственных
культур: Справочник. М., 1990.
Чернавина Я. А. Физиология и биохимия микроэлементов. М.,
1970.
Школьник М. Я. Микроэлементы в жизни растений. Л., 1974.
Ягодин Б. А. Кобальт в жизни растений. М., 1970.
227
Copper in Soils and Plants / Eds J. F. Loneragan, A. D. Robson,
R. D. Graham. London, 1981.
Fox T. C, Guerionot M. L. Molecular Biology of Cation Transport
in Plants//Annu. Rev. Physiol. Mol. Biol. 1998. Vol. 49.
Manganese in Soils and Plants / Eds R. D. Graham, R. I. Hannam,
N. С Uren. Dordrecht, 1988.
Markert B. Instrumental Element and Multi-Element Analysis of
Plant Samples. Methods and Applications. Zittau, 1996.
Marschner H, Mineral Nutrition of Higher Plants. Second Edition.
Cambridge, 1997.
MengelK, Kirkby E. A. Principles of Plant Nutrition. International
Potash Institure. Bern, 1987.
Micronutrients in Agriculture. Second Edition / Eds J. J. Mortvedt,
F. R. Cox, L. M. Shuman et al. 1991. SSSA Book Series, № 4. Madiso.
WI.
Metal Ions in Biological Systems/Eds A. Sigel, H. Sigel. 1998.
Vol. 35.
Zinc in Soils and Plants/ Ed. A. D. Robson. Dordrecht, 1993.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Список сокращений 5
1. Классификация микроэлементов 7
2. Микроэлементы в почве 17
2. 1. Источники микроэлементов —
Железо -
Марганец 20
Цинк 22
Медь 23
Молибден 25
Бор 26
Хлор 28
Никель 29
Кобальт -
2.2. Подвижность микроэлементов 31
2. 2. 1. Критерии подвижности —
2. 2. 2. Факторы, определяющие подвижность 34
3. Микроэлементы в растениях 53
3.1. Поглощение растениями. Взаимодействие элементов —
3. 1. 1. Поглощение -
3. 1. 2. Взаимодействие 56
3. 2. Формы, функции и локализация 63
Железо -
Марганец 80
Цинк 85
Медь 92
Молибден 96
Бор 105
Хлор 114
Никель 116
Кобальт , 118
229
4. Распределение микроэлементов в семенах :.. 123
4. 1. Формирующиеся семена —
4. 2. Зрелые семена 128
4. 2. 1. Общее содержание микроэлементов -
4. 2. 2. Распределение 134
4. 2. 3. Формы "... 137
4.3. Прорастающие семена 139
5. Комплексы микроэлементов 149
5.1. Свойства комплексов —
5. 1. 1. Общие сведения. Химические свойства -
5. 1.2. Комплексы микроэлементов в почвах
и растениях 155
5. 2. Усвоение комплексов микроэлементов
растениями 159
5. 2. 1. Корень -
5. 2. 2. Побег 172
6. Адаптация растений к дефициту микроэлементов 183
6. 1. Неспецифическая адаптация —
6. 2. Специфическая адаптация 189
6. 2. 1. Растения стратегии I -
6. 2. 2. Растения стратегии II \ 195
7. Микроудобрения 201
7. 1. Виды микроудобрений -
Железосодержащие 203
Марганцевые 206
Цинковые 207
Медные 208
Молибденовые 209
Борные —
Кобальтовые 211
Комплексные —
Специальные 212
Микроэлементы-примеси 214
7. 2. Способы применения 216
Определитель 222
Рекомендуемая литература 227
Учебное издание
Битюцкий Николай Петрович
Микроэлементы и растение
Зав. редакцией Т. Н. Пескова
Отпечатано с готового оригинал-макета
Лицензия № 040050 от 15.08.96
Подписано в печать 05.11.99. Формат 60 х 841/i6- Печать офсетная. Усл. печ. л. 13,48.
Уч.-изд. л. 12,52. Тираж 250. Заказ £*4ф.
Издательство СПбГУ. 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9
ЦОП типографии Издательства СПбГУ. 199034, С.-Петербург, наб. Макарова, 6