Семена попали в почву, проросли, дали всходы, и мы говорим, что растения начали жить. Так ли это?
Ведь семя — это тоже растительный организм, в котором есть и корешок, и листочки, и точка роста стебля, и запас питательных веществ. Причем этот запас бывает таким значительным, что только за его счет образуются корни, стебель, листья и растение живет продолжительное время.
Если растению предоставить необходимые для него условия, оно бурно развивается и еще задолго до образования семян начинает проявлять «заботу» о будущем поколении.
Рождение семян — это сложный процесс, в котором принимают участие все части материнского растения.
После слияния мужских и женских клеток (гамет) резко возрастает приток питательных веществ к формирующемуся новому началу, а это способствует энергичному развитию зародыша и эндосперма.
Покровы семяпочки, разрастаясь, образуют семенную кожуру, а стенки завязи — околоплодник. Это так называемый морфологический, видимый эффект. Но ему предшествуют сложные и многочисленные биохимические процессы, происходящие в корнях, стеблях, листьях и в самом формирующемся семени.
Корни поставляют семенам не только воду и минеральные питательные вещества, но и жизненно необходимые органические соединения. Как показал академик А. Л. Курсанов, в корнях образуются аминокислоты (составные части белков), органические кислоты, которые, передвигаясь в надземные части, в том числе и к семенам, дают начало более сложным соединениям. Если в почве недостает питательных веществ, если низкая температура или наблюдается избыток влаги, корневая система развивается слабо, а это сказывается на процессах, происходящих в листьях и в формирующихся семенах. На листья неблагоприятное действие может оказывать и непосредственно внешняя среда. Так, недостаток в воздухе углекислого газа задерживает образование в растениях сахаров и других продуктов фотосинтеза. Этот процесс нарушается и при недостатке света, действии высокой и низкой температуры и других условиях. Например, при суховеях фотосинтез резко падает, а вместе с этим прекращается доставка сахаров в формирующееся зерно. Аналогичные условия изменяют и направленность обмена веществ в зерне: усиливаются процессы распада и уменьшается образование крахмала и других составных частей зерен. В результате двух-трехдневного суховея изменяется не только химизм зерна, но и снижается урожай. При обильном снабжении водой в семенах накапливается много углеводов и меньше белков, и, наоборот, в зернах растений, произрастающих в засушливых областях, меньше крахмала и больше белковых веществ.
«Лист, в котором мы признали уже единственную естественную лабораторию, где заготовляется органическое вещество на оба царства природы, тот же лист и в том же самом процессе усвоения углерода запасает энергию солнечного луча, становится, таким образом, источником силы, проводником тепла и света для всего органического мира» (Тимирязев К. А. Избр. соч., т. I, стр. 575, М., 1957).
Условия внешней среды, задерживающие образование в листьях сахаров, соединений азота, фосфора и других веществ, отрицательно влияют на обеспечение этими веществами развивающегося семени. Ведь семя не фотосинтезирует, а получает готовые продукты из других частей растения и превращает их в нужные для него соединения.
Формирующееся зерно — это сложная биохимическая лаборатория, в которой происходит синтез высокомолекулярных веществ из более простых соединений, притекающих сюда из листьев, стеблей и корней. В зерне из этих разнообразных веществ создаются клетки, ткани и органы будущего растения.
На ранних фазах созревания почти половина сухого вещества зерна состоит из сахаров, тогда как при созревании содержание их снижается, а крахмала и гемицеллюлоз — возрастает. У масличных культур преобладает крахмал, который затем превращается в жиры.
В период налива зерна около 20% целлюлозы в стеблях ржи растворяется соответствующими ферментами и в виде сахаров используется созревающими семенами. Вот почему, начиная с фазы молочной спелости, сухой вес соломы снижается, а в колосе увеличивается. Еще Д. И. Менделеев в свое время указывал: «…если за полторы недели до полной твердости, когда нижняя часть соломы еще зеленая, сжать рожь и дать ей дозреть в снопах, то количество и качество нисколько не уменьшатся и выгадывается в сроке. Прежним анализом доказано, что не из почвы получается материал для зерна, а из соломы. Последнее время солома не растет. Преимущество для соломы то, что она становится более мягкой и более удобной для скота, т. е. ближе подходит к сену».
Притекающие в семена азотистые вещества также претерпевают всевозможные изменения. Аминокислоты, поступающие из корней и листьев, под влиянием соответствующих ферментов превращаются в белки. Особенно интенсивно этот процесс идет в период формирования семян.
Недавно с помощью радиоактивных изотопов было установлено интересное явление.
Оказалось, что образующиеся в листьях продукты фотосинтеза оттекают в определенные части соцветий, т. е. каждый лист обеспечивает определенные семена.
Существенные изменения при формировании семян наблюдаются и в содержании витаминов. Из вегетирующих частей растений они передвигаются в семена. Так, по мере увеличения зерен пшеницы содержание витамина В1 в колосковой чешуе, в стебле и листьях уменьшается примерно на столько, на сколько появляется его в семенах, и распределяется там неравномерно. Особенно много витаминов концентрируется в зародыше — в этой наиболее жизнедеятельной части семени. Так, если в зерне пшеницы содержится 38,7 мг/кг витамина Е, то в пшеничных зародышах — 355 мг/кг.
Таким образом, эмбриональный этап индивидуального развития растения, протекающий в семенах от момента оплодотворения яйцеклетки до начала прорастания зародыша, связан с усиленным поглощением питательных веществ и структурной перестройкой их в жизненно необходимые соединения. В развивающееся семя из материнского растения энергично поступает как органические, так и неорганические вещества. Усиление активности ферментных систем способствует превращению этих веществ в структурные образования развивающегося семени.
По мере формирования семян особенно в период полного созревания поступление питательных веществ и активность ферментных систем резко уменьшается. Это в значительной степени связано с тем, что в семенах снижается количество влаги. На самых ранних фазах созревания зерна пшеницы ее содержится 70—75%, в период восковой спелости — 25—30% и при полной спелости — 15—20%. Потеря воды семенами придает им устойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды. Так, сухие семена красного клевера без вреда переносят долговременное пребывание в чистом спирте, а увлажненные быстро гибнут и в разбавленном.
В семенах разных растений как во время формирования, так и в период созревания накапливаются неодинаковые продукты. Они и определяют химическую природу семян.
Все зерновые культуры по химическому составу семян разделяются на три группы:
- семена, богатые крахмалом (пшеница, рожь, ячмень, кукуруза и др.);
- семена, богатые белком (горох, фасоль, чечевица, соя и др.);
- семена, богатые жиром (подсолнечник, клещевина и др.).
В некоторых семенах, например, у сои, содержится очень много и белка, и жира.
Средний химический состав зерна различных зерновых культур в % (по В. Л. Кретовичу, 1958 г.)
| Культура | Вода | Белок | Жиры | Углеводы | Клетчатка | Зола |
| Пшеница мягкая | 14,0 | 12,0 | 1,7 | 68,7 | 2,0 | 1,6 |
| Пшеница твердая | 14,0 | 13,8 | 1,8 | 66,6 | 2,1 | 1,7 |
| Рожь | 14,0 | 11,0 | 1,7 | 69,6 | 1,9 | 1,8 |
| Ячмень | 14,0 | 10,5 | 2,1 | 66,4 | 4,5 | 2,5 |
| Кукуруза | 14,0 | 10,0 | 4,6 | 67,9 | 2,2 | 1,3 |
| Овес | 12,8 | 10,2 | 5,3 | 59,7 | 10,2 | 3,0 |
| Рис | 12,0 | 6,7 | 1.9 | 63,8 | 10,4 | 5,2 |
| Просо | 12,5 | 10,6 | 3,9 | 61,1 | 8,1 | 3,8 |
| Гречиха | 13,3 | 11,4 | 2,7 | 58,8 | 11,4 | 2,4 |
| Горох | 14,00 | 22,4 | 2,4 | 54,1 | 4,7 | 2,4 |
| Фасоль | 14,0 | 23,2 | 2,1 | 53,8 | 3.6 | 3,3 |
| Чечевица | 14,0 | 24,2 | 1,7 | 53,3 | 4,0 | 2,8 |
| Соя | 10,0 | 36,2 | 17,5 | 26,0 | 4,5 | 5,5 |
Различен запас в этих семенах и других соединений. В одних накапливается много азота, но мало фосфора, другие бедны калием, но богаты фосфором.
Разное количество основных элементов питания, несомненно, имеет важное значение для обеспечения проростков азотом, фосфором и калием. С семенами гороха и люпина в почву вносится азота и фосфора в 10 раз и калия в 20 раз больше, чем при посеве кукурузы. Это количество азота может быть приравнено к 10—17 кг действующего вещества азотных удобрений, а фосфора — к 15 кг Р2О5 в суперфосфате. Поэтому бобовые растения в начальный период своего развития мало отзывчивы на эти удобрения.
В семенах кукурузы, наоборот, мало основных элементов питания и они не обеспечивают проростки азотом, фосфором и калием, и на предпосевное внесение удобрений эта культура реагирует резким усилением ростовых процессов.
За последнее время в нашей стране выведено много сортов различных культур, которые по химическому составу резко отличаются от старых содержанием белка, масла и витаминов, улучшенными посевными и другими качествами. Зная законы формирования семян, процессы, которые обусловливают получение высокого качества, человек путем воздействия на материнское растение ускоряет развитие семени, повышает накопление в нем нужных питательных веществ.
Так, академики В. С. Пустовойт и Л. А. Жданов вывели сорта подсолнечника, семена которых содержат масла более 50%, академик В. Я. Юрьев получил высокопродуктивные сорта озимой пшеницы, ячменя и кукурузы: академик Ф. Г. Кириченко вывел сорт озимой твердой пшеницы, зерно которой содержит белка на 2—4% больше, чем мягкие пшеницы; академик А. Л. Мазлумов создал новые высокоурожайные сорта сахарной свеклы.
К. А. Тимирязев указывал, что только изучив законы о жизни, только подметив или выпытав у самого растения, какими путями оно достигло своих целей, мы в состоянии направить его деятельность к своей выгоде, вынудив его давать возможно более продуктов, возможно лучшего качества.
Как же узнать, в чем нуждается растение для того, чтобы создать высокоценное потомство?
Практики сельского хозяйства определяют потребность растений, например, в воде по внешним признакам: изменению окраски листьев, опадению завязей и т. д. Понятно, что такой метод далеко не совершенен. Ведь эти признаки проявляются уже тогда, когда произойдут глубокие физиологические изменения: отмирание корневых волосков, которые принимают непосредственное участие в поглощении воды и питательных веществ, распад белков и накопление вредных продуктов, подавление фотосинтеза и т. д. Если поливать после того, как внешние признаки проявились, то ни по количеству, ни по качеству семян желаемых результатов не будет. Оказывается, более точно можно установить потребность в воде еще до проявления внешних признаков с помощью физиологических методов.
Проверка нового метода показала его высокую эффективность. Прибавка урожая у культур, орошаемых с учетом физиологических признаков, по сравнению с обычными методами при одних и тех же затратах воды составила: у кукурузы (початки) 5,8 ц/га, у пшеницы — 5,6 и у хлопчатника — 5 ц/га. При этом улучшается химический состав и посевные качества семян.
Наблюдательный земледелец умеет угадывать потребность растений в минеральном питании. Если, например, кукурузе не хватает азота, то листья ее бледнеют, края закручиваются, а у средней жилки отмирают ткани. Иная картина при фосфорном голодании растений. В этом случае листья приобретают темно-зеленый цвет, на краях в начале голодания появляется фиолетовая окраска, переходящая затем в коричневую.
Внесение удобрений поправляет состояние растений, но тем не менее урожай, качество семян у них заметно ниже, чем при своевременном и бесперебойном обеспечении необходимыми элементами минерального питания. Дело в том, что наблюдаемые морфологические изменения растений при недостатке того или иного минерального элемента являются следствием глубоких биохимических нарушений. Для восстановления их нужны не только удобрения, но и определенное время внесения, а оно, как известно, ограничено вегетационным периодом растений.
Ученые и здесь предприняли попытки выяснить потребность растений в минеральных удобрениях до проявления внешних признаков. Теперь с помощью простых и удобных методов, доступных каждому, можно ответить, в каком элементе растение нуждается. Делается это таким образом. Из листьев растений выжимается сок и к нему добавляются те или иные индикаторы. По окраске сока под влиянием индикатора судят о содержании азота, фосфора или калия. Сравнивая окраску со стандартом, можно определить, каких минеральных элементов растению недостает.
Своевременное и полное удовлетворение растений в минеральном питании не только усиливает процессы роста и увеличивает накопление зеленой массы растений, но и ускоряет формирование семян, улучшает их химический состав.
Приведем несколько примеров. Так, при полном удовлетворении озимой пшеницы минеральным питанием получен урожай 99,8 ц/га с содержанием в зерне 19,5% белка, тогда как при недостатке питания урожай составил 39 ц/га, а белка было всего лишь 15,75%. При внесении в рядки аммиачной селитры из расчета 10 кг азота на 1 га урожай яровой пшеницы и особенно содержание белка заметно увеличились. Двух-трехкратное опрыскивание кукурузы в фазе цветения и молочной спелости трех-пятипроцентным раствором мочевины повышает содержание азотистых веществ в зерне на 8—15%, а в листьях и стеблях — на 15—30%.
Внекорневые подкормки яровой пшеницы бором увеличивают отток сахарозы к органам плодоношения, повышают содержание в семенах белка и увеличивают урожай. Следовательно, своевременно обеспечивая растения питательными веществами, можно не только управлять ростом и развитием растений, но и влиять на количество и качество семян.
В последнее время выявлены новые средства воздействия на формирующиеся семена: высушивание растений перед уборкой физиологически активными веществами. Рис, например, в фазу полной спелости зерна опрыскивают растворами хлората магния, эндотала или монохлорацетата натрия. Через 4—6 дней после этого рис хорошо убирается комбайном, снижаются потери зерна и заметно улучшается его качество.
Химические препараты используются для предуборочного высушивания бобов, пшеницы, свекловичных высадков и других культур. Этот прием способствует ускорению созревания семян, улучшению их пищевых и посевных качеств.