Хотя в семенах есть все нужное, чтобы они начали расти, но случается, что ряд обстоятельств препятствует этому.
Как уже говорилось, для использования запасных веществ и синтеза новых соединений необходима вода. Однако не во все семена она легко проникает. В твердые покровы заковано ядро семян белой акации, грецкого ореха, глядичии и многих других.
Через эти покровы доступ к зародышу влаги и кислорода затрудняется, а без них семена не прорастают. Для опыта 50 семян глядичии были положены в воду одновременно, но — 4 из них набухли на другой день, 11 — через два месяца, 17 — в течение года, 6 — через год, 6 — на третий год, 3 — на четвертый и пятый годы, а 3 семени не набухли и не проросли, хотя и находились в воде больше пяти лет. В первую очередь прорастали те, у которых оболочка была повреждена и пропускала воду. Человек, повреждая твердые покровы, путем перетирания семян с песком или толченым стеклом или на особых машинах открывает доступ к зародышам воды и кислорода, а семена отвечают на это энергичным прорастанием. Многие семена требуют иной соответствующей подготовки — стратификации.
Семена рекомендуется стратифицировать таким образом: на дно траншеи закладывается свежий (не перепревший) конский навоз слоем 40 см, сверху насыпается слой песка в 10 см, затем 8—10 см семян, смешанных с песком в соотношении 1 : 3. Ежедневно семена увлажняются нагретой водой (35—45°). Такая подготовка заметно ускоряет прорастание семян. Так, семена абрикоса, выделенные из плодов 6 июня, прорастают на 12—15-й день, при использовании обычных методов — лишь через три месяца. Намного ускоряется прорастание и других семян.
У стратифицированных семян не только усиливается обмен веществ, но и изменяется их отношение к воздействиям внешней среды. Например, семена березы без стратификации хорошо прорастают только при температуре 32° и почти не прорастают при 15°. После же стратификации они прекрасно прорастают не только в комнатных условиях, но и при температуре, близкой к нулю.
Почему же стратификация ускоряет прорастание семян?
Проведенные исследования позволяют прийти к заключению, что во время стратификации при низкой температуре в эндосперме происходят процессы, в результате которых образуются жизненно необходимые вещества для питания зародыша. Не исключено также и то, что содержащиеся в мякоти плодов вещества, которые задерживают прорастание семян, в процессе стратификации обезвреживаются, а возможно, и синтезируются соединения, стимулирующие прорастание.
Детальное изучение физиологических изменений у семян при их формировании, в период покоя и при прорастании показало, что каждый период характеризуется специфичным обменом веществ и состоянием протоплазмы клеток. Эти свойства и были положены в основу разработки метода диагностики готовности семян плодовых культур к прорастанию. Выход семян из состояния покоя можно надежно определить с помощью микроскопа. Если в покоящихся семенах протоплазма обособлена от клеточных оболочек и связь между клетками нарушена, то при выходе семян из покоя эта протоплазматическая связь восстанавливается, наблюдается снижение содержания жиров и массовое появление крахмала в корешке, почечке и семядолях. Этот простой и доступный метод проверен на семенах многих плодовых культур (яблони, груши, вишни и др.). Его использование позволяет дать правильную оценку готовности семян к посеву.
Часто плохая всхожесть семян и низкий урожай обусловлены недостатком в них запасных веществ. Хлеборобы давно знают, что крупное, полноценное семя увеличивает кустистость, дает лучший колос и повышенный урожай. Недаром старинная пословица гласит: «От худого семени не жди доброго племени».
Академик В. И. Эдельштейн показал, что крупные семена редиса, моркови дают урожай в 1,5—2 раза выше, чем мелкие. Эта закономерность установлена и для пшеницы, ячменя и других культур. Так, при посеве семян пшеницы, толщина которых была 3 мм, урожай составил 21,2 ц/га, а из семян меньше 2 мм — только 10,2 ц/га.
Запас питательных веществ в семени определяет (при всех прочих равных условиях) энергичный обмен веществ, а следовательно, и более интенсивный процесс роста. Так, на 5-й день после посева у пшеницы и ячменя, высеянных крупными семенами, длина корней в 4 раза больше, чем у проростков из мелких семян.
Если семя крупное, то имеющийся запас обеспечивает безболезненный переход проростков на снабжение питательными веществами из почвы. И чем скорее молодые растения начинают их усваивать, тем интенсивнее идут процессы роста. Если же растения этих веществ в почве не находят, они начинают страдать. Так, из-за азотного голодания яровой пшеницы в течение 23 дней урожайность ее снизилась более чем на 60% по сравнению с растениями, получившими азот.
Сильно угнетаются растения и при недостатке в почве микроэлементов. Теперь установлено, что с помощью высокой агротехники и удобрения почвы необходимыми веществами можно получить семена, которые сами обеспечат себя необходимым питанием на будущее, и тогда страдание растений значительно снизится.
Так, в одном килограмме фасоли содержится несколько миллиграммов молибдена. Если же на килограмм почвы вносилось 8 мг этого микроэлемента, то его содержание в семенах составляло 66 мг, а при дозе 33 мг на 1 кг почвы — до 163 мг на 1 кг фасоли. В 137 раз можно увеличить содержание молибдена и в семенах клевера, если вегетирующие растения в достаточном количестве обеспечивать этим микроэлементом.
Понятно, что такое увеличение содержания микроэлементов не безразлично для прорастающего семени. Семена махорки, собранные из растений, получавших и не получавших бор, высеянные в песок с питательной смесью, в которой был исключен этот элемент, вели себя совершенно по-разному.
Растения из семян, выращенных без бора, развивались лишь до фазы бутонизации, а затем погибали; выращенные из семян, обогащенных бором, цвели и давали заметное увеличение вегетативных частей растения. Аналогичные результаты получены с семенами клевера.
Обогащение семян на материнском растении не только улучшает их хлебопекарные и посевные качества, но и оказывает благоприятное действие на наследственные особенности растений, передающиеся из поколения в поколение.
Можно ли улучшить посевные качества уже собранных семян?
В 1779 году ученый агроном А. Т. Болотов предложил метод обработки семян золой. Он писал: «Накануне посева овса, а если есть время, то и в самый тот день, насыпанные на каждую десятину овсяные семена привозят на гумно и высыпают их на ток, где на каждые четыре четверти овса сыплют 2 четверика помянутой золы и мешают с овсом лопатами несколько времени… Потом, чтоб крепче оная к зерну прилипала, вениками и связанной в пуки травою, обмакивая в воду, на овес брызжут и мешают, отчего всякое зерно облипается золою, и потом, насыпав на телеги, отвозят для рассева в поле».
Такое обогащение семян приводило к увеличению урожая и снижению полегаемости растений. Указывая на пользу такой обработки А. Т. Болотов говорил далее: «Может быть, оная и давно многим известна, но как я о сем не слыхал, то с усердием моим вам за новую сообщаю, желая его пользоваться тем, которые еще не знают».
Большое внимание обогащению семян питательными веществами уделялось в последнее столетие. Были испытаны макро- и микроудобрения, ауксины и витамины, органические кислоты и аминокислоты, экстракты из растений и микроорганизмов. Болгарский академик Методий Попов испытал действие на прорастание семян сотен самых различных веществ и особенно микроэлементов. Но когда предложенные приемы стали проверять в различных странах, то получились разные результаты — в одних положительные, в других без эффекта. И лишь теперь, когда физиологи и агрохимики стали выяснять физиологическую роль микроэлементов и вскрывать причины разной реакции растений на тот или иной элемент, многое стало понятным.
Установлено, что некоторые почвы содержат значительные количества микроэлементов, и поэтому в этих условиях они не оказывают положительного действия. Существенное значение при этом имеет и запас того или иного микроэлемента в семени, а также природные особенности растительного организма.
Сравнительное изучение содержания молибдена в семенах показало, что в 1 кг зерна ржи, овса и других злаков содержится 1 мг, а в семенах фасоли 20 мг этого элемента.
Накопить его в таком количестве бобовые могли только из почвы. Естественно, что если молибдена в ней не хватает, то бобовые на это реагируют болезненнее других зерновых культур.
Компенсировать недостаток молибдена можно путем предпосевной обработки семян этим элементом, внесением его в почву или внекорневой подкормкой растений.
Обогащение семян этим микроэлементом повышает урожай семян гречихи и проса на 20%, соломы и семян льна — на 17%. Особенно эффективна предпосевная обработка. Так, при намачивании семян проса в борной кислоте урожай увеличился на 21—23%, при внесении в почву — на 11—12% и меньше всего при опрыскивании растений — на 6—8%.
Потребность в том или ином микроэлементе часто зависит от кислотности почвы. Молибден, например, на кислых почвах связывается с почвенными частицами и становится недоступным для растений. В этих случаях растения очень отзывчивы на молибденовые подкормки.
В настоящее время в почвах различных районов установлено содержание микроэлементов, что позволяет рационально использовать удобрения для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Для обогащения семян жизненно необходимыми соединениями используются многие физиологически активные вещества. Среди них представляет интерес солодовый экстракт.
Обработка семян солодовым экстрактом производится таким образом. Семена для приготовления солода в течение суток выдерживают в воде, затем их рассыпают на полу и проращивают при температуре 4—7°. Ежедневно 3—4 раза зерно перелопачивают. Когда половина семян даст ростки величиной в длину зерна, их просушивают в хорошо проветриваемом помещении или в сушилке при температуре не выше 40° и затем размалывают. Приготовленная мука используется для обработки семян. Для этого ее помещают в бочку, заливают водой, перемешивают и оставляют на 5—6 часов.
Предпосевное обогащение семян солодом усиливает прорастание, увеличивает ростовые процессы и мощность растений, приводит к повышению урожая зерновых от 1 до 5 ц/га. Таким способом можно также увеличить урожай сахарной свеклы, люцерны и других культур.
К сожалению, до сих пор не выяснено, какие из веществ, находящихся в солоде, вызывают положительный эффект. Когда будет определена природа этих активизаторов, вытяжку из солода можно будет заменить обработкой семян определенными веществами. Ведь так в свое время было и с микроорганизмами. Для нормального роста бактерий и грибов долгое время употреблялись вытяжки из растений и тканей животных, а затем оказалось, что в этих экстрактах микроорганизмам нужны лишь определенные вещества. Теперь, добавляя в питательную среду необходимые витамины, ауксины или аминокислоты, удается полностью заменить действие вытяжек.
Для прорастания семян орхидей тоже применялись экстракты из растений, а позднее было выяснено, что для них нужны витамины. Если в питательную среду не давалось витамина, то высота орхидеи была 48 см и длина корней — 60,5 см, а при добавлении витамина РР, соответственно, 101 и 176,5 см.
В витаминах нуждаются и другие прорастающие семена. Например, прорастание цитрусовых семян без витаминов составляет 64%, если их обработать витамином РР, то 85% и витамином B1 — 91%. При этом установлено интересное явление: обработанное семя дает несколько проростков.
Введение витаминов в семена существенным образом изменяет и процессы развития растений. Так, под влиянием витамина РР ускоряется колошение озимых ржи и пшеницы в год их посева. Предпосевное обогащение семян витаминами, усиливая обмен веществ, ускоряя рост корней и надземных частей, приводит к увеличению урожая.
Так же действуют и гетероауксины. Обработка этим препаратом семян кукурузы усиливает рост растений и повышает урожай початков на 6 ц/га.
В 30-х годах было установлено положительное влияние на прорастание семян и повышение урожая ценных культур биогенных стимуляторов, которые применялись академиком В. П. Филатовым. Изучение химической природы этих стимуляторов показало, что в них содержатся такие органические кислоты, как янтарная, фумаровая и др. Предпосевная обработка семян слабым раствором янтарной кислоты усиливает процессы обмена веществ, заметно ускоряет прорастание семян и рост растений, увеличивает урожай. На Украине и в более северных районах нашей страны такой кислотой обрабатывали семена кукурузы. Урожай ее повышался на 20—50%.
Чтобы обогатить семена питательными веществами, их обычно намачивают в том или ином препарате. А нельзя ли вокруг семян создать такой питательный субстрат, который обеспечивал бы прорастающие семена всеми жизненно необходимыми элементами? Оказывается, можно. Такой прием назван дражированием. Он состоит в том, что семена обрабатывают клеящим веществом (крахмальным клейстером или коровяком или полиамидкрезолом и др.) и затем обволакивают наполнителем (перегноем, торфом, бентонитом), содержащим минеральные удобрения. Иногда в удобрительную смесь добавляют бактериальные препараты, а в случае надобности и вещества, губительно действующие на болезнетворные грибки. Обволакивание семян производят в дражираторе. Такие семена дают энергичные всходы; рост надземных частей и корней заметно ускоряется, урожай повышается.
Дражирование семян способствует и увеличению размера мелких семян (морковь, помидоры и др.) и тем самым создает благоприятные условия для равномерного их высева.
В последние годы все шире и шире применяется метод парафинирования семян, разрабатываемый С. В. Крыловым.
Установлено, что семена, покрытые тонкой парафиновой пленкой, можно высевать в самые ранние весенние сроки и даже зимой, в мерзлую почву. Такие семена набухают и наклевываются, когда почва прогревается до 8—10°, всходы начинают появляться при повышении температуры почвы до 12°. Обычно в это время лишь приступают к посеву кукурузы, а парафинированные семена уже дают всходы. Понятно, что такой забег в начальные периоды роста растений благоприятно сказывается на дальнейшем развитии кукурузы — среднеспелые и среднепозднеспелые сорта в условиях средней полосы дают растения с початками в молочной спелости, а раннеспелые сорта — сухое зерно.
Безразличны ли семена к действию света?
Казалось бы, что во многих семенах нет зеленого пигмента — хлорофилла, а, следовательно, процесс усвоения углекислоты не происходит и для прорастания семян свет не нужен. Но проведенные опыты показали, что это не так. Сейчас известны сотни видов семян, на прорастание которых свет оказывает благоприятное действие, а для некоторых он просто необходим. Так, семена омелы, кипрея, лютика ядовитого, находящиеся в почве на такой глубине, куда свет не проникает, не прорастают. Если же эти семена попадают на поверхность и подвергаются воздействию света, они начинают энергично прорастать.
Два года назад получены новые данные о действии света на прорастание семян. Оказалось, что четырехкратное облучение семян сосны красным светом в 6 раз увеличивает их всхожесть. Если же вслед за этим семена облучить инфракрасными лучами, то положительный эффект красного света снимается.
Особенно сильное воздействие на семена оказывают ионизирующие излучения. Облучение гамма-лучами семян хлопчатника приводит к существенным изменениям обмена веществ, в процессах роста и развития растений и их наследственных свойств. С помощью облучения удалось отобрать растения, у которых точка роста отмирала в период массового плодоношения, т. е. происходила самочеканка растений. Появился и такой необычной формы хлопчатник, у которого коробочки располагались гроздьями по 5—8 штук вместе, тогда как у нормальных растений они распределены по одной. И волокно в них иное: шелковистее и прочнее. Нетрудно представить, какое значение это имеет для хлопкоробов. На сколько увеличится производительность затрат и снизится себестоимость этой ценной культуры! Если же семена подвергнуть облучению высокими дозами, то они либо не всходят, либо, прорастая, погибают от лучевой болезни.
Ионизирующие излучения используются для обработки и других культур. Удалось, например, получить пшеницу с двойными колосьями, с компактным колосом, появлялись более скороспелые и высокоурожайные формы.
По мере увеличения дозы облучения заметно снижается рост проростков. Но если облученные семена хранить в течение б месяцев, то это тормозящее действие рентгеновых лучей пропадает.
К сожалению, до сих пор еще не в полной мере познаны те изменения биохимических реакций, которые обусловливают появление новых качественных особенностей растения. Сейчас многие физиологи и биохимики исследуют эти изменения, пытаясь установить решающие звенья в обмене веществ, которые чувствительны к ионизирующим излучениям и приводят к образованию важных в хозяйственном отношении признаков у растений.
Интересные факты получены по действию на семена электрического поля постоянного тока. Семена огурцов, подвергаясь в течение пяти секунд воздействию электрического поля при напряжении от 2 до 3,5 эдс, увеличивали всхожесть и давали более мощные растения. При этом развитие растений заметно ускорялось, урожай повышался на 20%.
И. В. Мичурин указывал, что наиболее пластичным является молодой организм, который с помощью условий внешней среды можно изменить в нужном направлении. Это положение легло в основу разработки физиологических приемов повышения устойчивости прорастающих семян к неблагоприятным условиям внешней среды. Путем закалки семян можно изменить обмен веществ и повысить устойчивость растений против засухи и засоления почв.
Метод предпосевного закаливания растений против засухи состоит в том, что семена до посева намачивают и подсушивают 2—3 раза. Закаленные семена дают растения, обладающие анатомическим строением, характерным для растений, произрастающих в засушливых районах. Широкое испытание этого метода показало, что предпосевная закалка семян увеличивает урожай пшеницы, подсолнечника и других культур на 3—5 ц/га,
Как известно, растения, произрастающие на засоленных почвах, подвергаются вредному действию солей, что приводит к резкому снижению урожая. В связи с этим возникла необходимость повысить солеустойчивость растений. Это удалось сделать не только путем отбора семян у растений, произрастающих на разных типах засоления почв, но и предпосевной закалкой, которая увеличивает устойчивость растений к засолению и повышает урожай. Причем это приобретенное свойство передается и последующим поколениям.
Наследственные особенности растений можно изменить и путем воздействия на семена погодными условиями. Так, семена яровых пшениц, высеянные осенью, дают в последующем поколении некоторый процент озимых растений, и наоборот, семена озимых пшениц, высеянные весной, образуют формы яровых культур. Это явление используется для получения новых высокоурожайных сортов пшеницы, ячменя и других культур.
Изучение процессов роста и развития растений показало, что стадийные изменения, которые происходят в точках роста вегетирующих растений, могут проходить и в чуть тронувшихся в рост семенах. На этом основан прием предпосевной яровизации семян, разработанный Т. Д. Лысенко. Яровизация семян нашла широкое использование в практике растениеводства. В 1961 году были опубликованы оригинальные исследования по выяснению процессов, происходящих при яровизации семян. Они показали, что в результате яровизации озимых форм пшеницы, рапса и ржи накапливаются гиббереллиноподобные вещества, которые и обусловливают беспрепятственный переход озимых форм к стеблеванию и цветению.
Если из листьев озимых растений получить экстракт гиббереллиноподобных веществ и нанести их на озимые, то они не переходят к цветению. Совершенно иной эффект наблюдается при нанесении экстракта из озимой пшеницы прошедшей яровизацию: растения начинают стрелкование и цветение. Под влиянием этих экстрактов начинает цвести и растение рудбекия, которое в обычных условиях не цветет.
Гиббереллины нашли практическое применение не только для усиления роста вегетативных частей растений, ускорения цветения и повышения урожая ягод и плодов, но и для нарушения периода покоя у семян. Так, семена ячменя, увлажненные слабым раствором гиббереллина (3 мг на 1 кг зерна), быстро трогаются в рост. Это стимулирование прорастания семян используется в пивоваренной промышленности. Предпосевная обработка семян кукурузы, пшеницы, женьшеня, пиона гиббереллином заметно усиливает их прорастание.
Интересное действие оказывает стимулятор на семена салата, которые прорастают только на свету. Обработанные гиббереллином, они начинают прорастать и в темноте.
Но не всегда и не все семена нужно стимулировать к прорастанию и улучшению роста растений. Некоторые семена или их проростки нужно уничтожать. Как известно, сорняки не только снижают урожай, но и ухудшают его качество. Семена таких сорняков, как куколь и плевел, ядовиты для людей и животных, а семена рыжика и горчицы, примешанные к семенам льна, портят качество льняного масла. Сорняки, как правило, исключительно плодовиты. Например, одно растение лебеды, крапивы или полыни дает свыше ста тысяч семян, а белены и ширицы — более полумиллиона. Эти семена, попадая в почву, долго сохраняются: так, семена ширицы могут пролежать около 40 лет, после чего они вновь прорастают и засоряют поля.
Человек давно мечтал о таких средствах, с помощью которых можно уничтожить сорняки, не оказав вредного действия на культурные растения. Эта мечта долгое время была неосуществимой. Но, изучая реакцию растений на обработку их химическими препаратами, ученые нашли, что не все растения одинаково реагируют на эти вещества. Одни из них продолжают расти, другие повреждаются, но растут, а третьи погибают. Это явилось основанием для разработки химических средств борьбы с сорняками. В настоящее время гербициды — вещества, уничтожающие сорняки, нашли широкое применение для прополки самых различных культур. Гербициды, уничтожая сорняки в ранней стадии, не дают им обсеменяться.
Но иногда необходимо и стимулировать прорастание семян сорняков, чтобы потом уничтожить. Так, под влиянием стимулятора роста гиббереллина энергично прорастают семена овсюга, а затем проросшие всходы сорняка уничтожаются при весенней культивации полей.
Используя неодинаковое отношение семян разных растений на действие гербицидов, ученые разработали химический способ борьбы с сорняками до всходов культурных растений. Например, прорастающие семена кукурузы более устойчивы к действию гербицидов симазина и атразина по сравнению с проростками сорняков. Поэтому внесение симазина и атразина в почву до посева не сказывается отрицательно на прорастании семян кукурузы, но зато губительно действует на сорняки. В результате число сорняков в поле уменьшается в 10 раз, а урожай кукурузы удваивается по сравнению с участками, где сорняки не уничтожались.
Посевы, очищаясь от сорняков, дают мощные, хорошо развитые растения, на которых формируются полноценные, с богатым запасом питательных веществ семена.
Наука дала в руки земледельца многообразные средства воздействия на семена, с помощью которых по своему желанию он может усиливать или тормозить прорастание семян, повышать продуктивность культивируемых растений и уничтожать сорняки. Более глубокое познание того пускового механизма, который приводит покоящееся семя в бурно развивающиеся химические реакции, подскажет новые, эффективные методы торможения и стимулирования прорастания семян, укажет на те решающие звенья обмена, которые повышают устойчивость растений к неблагоприятным условиям внешней среды и обусловливают наследственные особенности организма.
Как познание природы атома дало человечеству новые неограниченные источники энергии и ее использования в самых различных областях науки и техники, так и изучение перехода семян из покоящегося состояния в «возбужденное» откроет широкий простор для активного управления жизнедеятельностью растительного организма.