И. А. Селиванов
Фикомицетные везикулярно-арбускулярные эндомикоризы чрезвычайно широко распространены в природе.
Они встречаются у растений, произрастающих во всех ландшафтно-географических зонах земного шара. По данным немецкого ученого Мейера (Meyer, 1966), этот тип микориз имеют свыше 80% всех видов цветковых растений. Наши исследования, проведенные в тундровой, лесной, степной и пустынной зонах, также показали, что везикулярно-арбускулярный тип микориз господствует в растительном покрове указанных ландшафтов.
Следует отметить, что большинство важных в экономическом отношении сельскохозяйственных растений (хлебные злаки, бобовые, хлопчатник, цитрусовые, картофель и многие другие) имеют везикулярно-арбускулярные микоризы (VAM). У лесных деревьев, за исключением сосновых, березовых, буковых и частично ивовых, также встречаются VAM. Растения с VAM, несомненно, занимают первое места среди микотрофных видов, далеко оставляя позади деревья, кустарники и травы, имеющие иные типы микориз.
Роль фикомицетных грибов, образующих везикулярные эндомикоризы, из-за больших методических трудностей их изучения долго оставалась невыясненной. Качественный скачок в исследовании VAM произошел недавно — с разработки методов выделения эндогоновых грибов в культуру и искусственного заражения ими опытных растений (Mosse, 1953, 1959, 1962 и др.; Ohms, 1957; Gerdemann, 1955, 1968; Gilmore, 1968, 1971, 1972 и др.).. Благодаря работам указанных авторов было экспериментально подтверждено ранее высказываемое предположение, что возбудителем везикулярно-арбускулярной микоризной инфекции являются фикомицеты из сем. Endogonaceae. Выяснено, что споры и спорокарпы эндогоновых грибов можно извлекать из почвы и растительных остатков, сохранять их в лабораторных условиях и при надобности проращивать. Благодаря разработке метода открытых горшечных культур микотрофных растений, теперь в лаборатории можно постоянно иметь запас спор и спорокарпов для постановки опытов в любое время года.
Установлено, что споры и спорокарпии в культуре не прорастают в асептических условиях, так как для их прорастания нужны сопутствующие микроорганизмы. Разработаны приемы разделения спор и спорокарпов от сопутствующей микофлоры.
В опытах с фикомицетными микоризами в качестве инокулюма обычно используются поверхностно стерилизованные споры или спорокарпы, а в контроле — вода, в которой они промывались. Все это вместе взятое открыло большие возможности для изучения роли фикомицетных грибов у эндомикоризных растений.
В литературе имеется немало сообщений о различной способности микоризных и немикоризных растений поглощать из почвы Р, N, К, Са, Na, Mg, Си, В, Zn, Аl, но приводимые доказательства являются еще недостаточно убедительными. Исключение в этом отношении составляют данные о поглощении фосфора, калия и отчасти меди и магния.
Большинство исследователей, имевших дело с VAM, пришло к выводу, что микоризные растения растут лучше немикоризных, а новозеландский ученый Baylis (1959) в опытах с Griselinia litoralis впервые показал, что Они не только лучше растут, но и содержат большой процент фосфора и калия. Несколько позднее такие же результаты были получены с Podocarpus totaria, причем микоризные растения имели в 7 раз больший вес, чем немикоризные (Baylis, Mac-Nabb a. Morrison, 1963). Gray a. Gerdemann (1967, 1969) сравнивали содержание фосфора у микоризных и немикоризных растений ликвидамбара, тюльпанного дерева и лука. Используя Р, они показали, что радиоактивность у микоризных растений была во много раз больше, чем у немикоризных, особенно у лука (свыше 500 раз). Сопоставляя микоризные и немикоризные сегменты у микотрофных растений, исследователи установили, что радиоактивность тех тканей корней, в которых содержался микоризный гриб, сказалась в 20 раз большей, чем у тканей без гриба. Применение же фунгицидов, в частности парахлорнитробензина (PCNB), снимало положительный эффект микоризной инокуляции.
Однако лучшее использование фосфора микоризными растениями происходит не во всех условиях (Holevas, 1966; Bowen a Theodorou, 1967; Murdoch, Jackobs a. Gerdemann, 1967; и др.). Анализ опытных данных, описанных в литературе, показывает, что использование фосфора микоризными растениями зависит от ряда причин: биологической природы высшего растения, тип почв, содержания растворимых и нерастворимых соединений фосфора, степени обеспеченности другими элементами питания, штаммов микоризообразующих грибов и т. д.
Большое значение имеет природа высшего растения, так как разные виды, по-видимому, в неодинаковой степени нуждаются в грибном симбионте. В опытах Mosse (1973) Coprosma u Liquidambar имели хорошо выраженную положительную реакцию на заражение микоризными грибами, а фуксия — очень слабую. По данным Jackson, Franklin, Miller (1972), инокуляция микоризными грибами значительно повысила урожай кукурузы, но почти не повлияла на сою и суданскую траву. Сравнение роста немикоризных и зараженных спорами гриба (Endogone mosseae) сеянцев лимона и апельсина показало, что эта культура также неодинаково реагирует на микоризную инфекцию. По данным Marx, Brayan, Campbell (1971), интенсивность микоризной инфекции у лимона составила 83%, у апельсина — только 52%, а превышение микоризных растений над немикоризными по высоте у лимона было на 8,7 см., тогда как у апельсина только на 1,9 см. У микоризных растений сухой вес листьев лимона был на 1,4 г больше, чем у немикоризных, у апельсина — только на 0,3 г, а сухой вес корней соответственно на 1,4 и 0,2 г.
Большое влияние на развитие VAM и ответные реакции высшего растения на микоризную инфекцию оказывает почва и содержание в ней питательных веществ. Hayman а. Mosse (1971), исследуя накопление сухого вещества микоризными и немикоризными растениями лука на десяти различных почвах Англии, различающихся по плодородию, установили, что инокулированные растения от 1,3 до 12,5 раз превосходили по весу растения, не подвергавшиеся заражению микоризными грибами. Максимальное превышение сухого веса микоризных растений над немикоризными наблюдалось на почвах, бедных питательными веществами, особенно фосфором. Однако первостепенное значение, по — видимому, имеет не высокое содержание фосфора в почве, а его доступность для высших растений. При добавлении в почву эквивалентного количества фосфора, но в формах соединений разной растворимости, реакция кукурузы на микоризную инфекцию оказалась неодинаковой (Murdoch, Jackobs a. Gerdemann, 1967). При внесении труднодоступного фосфора и малорастворимого трикальциум фосфата сухой вес микоризных растений был почти в три раза больше, чем у немикоризных. По содержанию фосфора микоризные и немикоризиые растения также заметно различались между собою. У растений с микоризой процент фосфора был в 1,3 раза выше, чем в контроле. При добавлении же в почву хорошо доступных монокальциум фосфата и суперфосфата существенных различий между микоризными и немикоризными растениями не наблюдалось.
Анализ литературных данных дает основание сделать такой вывод: чем больше доступного фосфора, тем меньше различие между микоризными и немикоризными растениями, а максимальная добавка урожая наблюдается на почвах с низким содержанием фосфора.
Эффективность фикомицетной микоризной инфекции, вероятно, в значительной степени зависит от штаммов грибов, образующих микоризу. Так, в опытах Mosse (1972) при заражении Pospalum notatum разными штаммами Endogone получены такие результаты: в сравнении с контролем растения, зараженные спорами Е3 (Gilmore, 1968), дали увеличение сухого веса в 4 раза, сетчатыми медово-окрашенными спорами (Mosse a. Bowen, 1968) в 3,4 раза, а желтыми вакуолизированными спорами (Mosse a. Bowen, 1968) — только в 1,4 раза. Аналогичны результаты ее опытов с луком (Mosse, 1972).
Везикулярно-арбускулярная микоризная инферция влияет не только на накопление сухого вещества и содержание фосфора в растении, но и на формирование его вегетативных и репродуктивных органов. В опытах с томатами за одно и то же время у микоризных растений сформировалось
10 междоузлий, а у контрольных — только 6 (Daft a. Okusanya, 1973). Стебли микоризных растений были значительно более мощными, с хорошо развитыми и рано одревесневшими сосудисто-волокнистыми пучками. По данным тех же ученых, число междоузлий у микоризных и немикоризных растений кукурузы равнялось соответственно 5 и 3. Стебли у микоризных растений оказались более толстыми в сравнении с немикоризными: средний диаметр нижнего междоузлия у первых растений равнялся 14,7 мм, а у вторых—10,7 мм. Стебли кукурузы существенно различались и по количеству сосудисто-волокнистых пучков: в третьем междоузлии у растений с микоризой их среднее число составляло 281, а у безмикоризных — только 182.
Примерно так же влияют везикулярно-арбускулярные микоризы на вегетативные органы петрушки.
Однако увеличение сосудисто-проводящих пучков и механических тканей у микоризных растений томатов, петрушки и кукурузы, по-видимому, не является прямым действием фикомицетной микоризной инфекции, а опосредствованно через изменение фосфорного обмена, о чем свидетельствует тот факт, что немикоризные растения в опытах испытывали симптомы фосфорной недостаточности.
Регуляция роста кормофитного растения, по-видимому, в какой-то степени осуществляется через гормональную деятельность микоризных грибов. Продуцирование микоризными грибами таких ростовых веществ, как цитокинины, описано Миллером (Miller, 1971), а о выделении ростактивирующих веществ эндомикоризами было известно ранее (Butler, 1939; Гельцер, 1962, 1968).
Если растения, инфицированные эндогоном, содержат больше гормонов, то роль эндомикориз, вероятно, не только в том, что они способствуют почвенному питанию кормофитного симбионта, но и в том, что эндофитные грибы, вырабатывая ростактивирующие вещества, регулируют рост и развитие растения-хозяина.
Везикулярно-арбускулярная микоризная инфекция оказывает большое воздействие на развитие не только вегетативных, но и репродуктивных органов. Микоризные растения петунии, по данным Daft a. Okusanya (1973), раньше зацветают и обильнее цветут, чем немикоризные. У кукурузы VAM способствовала более раннему выметыванию метелок и более раннему созреванию пыльцы. Существенно влияние микоризной инфекции, вызываемой Endogone macrocarpa var. geospora, на цветение и плодоношение земляники (var. Talisman). Все растения, инокулированные эндогоновыми грибами, цвели, а среди неинокулированных цветение наблюдалось только у трех экземпляров из каждых десяти, имеющихся в соответствующем варианте. Среднее число вдетков на одном микоризном растении равнялось 9,9, а на безмикоризном — лишь 1,3. Плодоносящие растения земляники среди микоризных составляли 80%, а среди немикоризных — только 20%; средний вес плодов на одном растении, имеющем микоризу, был равен 2,6 г, а на безмикоризном — в 13 раз меньше.
Воздействие везикулярно-арбускулярной микоризной инфекции на репродуктивное развитие кормофитного симбионта, вероятно, происходит через гормоны. По данным Daft а. Okusanya (1973), растения, зараженные эндогоновыми грибами, имеют больше листьев и большую листовую поверхность. Листья, как известно, продуцируют гормоны, влияющие на цветение. Следовательно, чем больше листьев — тем больше вырабатывается гормонов, ускоряющих репродуктивное развитие высших растений.
Большое практическое значение имеет тот факт, что в природных условиях можно значительно повысить интенсивность микоризной инфекции у опытных растений путем предварительной микоризации семян перед посевом или заражением саженцев перед посадкой. Очень интересны в этом отношении опыты Mosse a. Hayman (1971) с луком и Khan (1972) с кукурузой. В опытах с луком исследователи сравнивают рост микоризованных и немикоризованных растений на облученных (стерилизованных) и необлученных почвах четырех типов. Инокуляция эндогоновыми грибами в опыте 1 проводилась при посеве, в опыте II — при пересадке. Спустя 11 и 16 недель после заражения определялся сухой вес микоризованных и немикоризованных растений.
Микоризованные растения растут лучше немикоризованных как на облученных, так и на необлученных почвах. В последнем случае отставание в росте растений, не подвергавшихся искусственному заражению эндогоновыми грибами перед посевом или при пересадке,
можно объяснить двумя причинами: во-первых, формирование микориз у них происходило значительно позднее, чем у растений, микоризованных искусственно; во-вторых, активность и плотность популяции местных штаммов грибов в почве, по-видимому, была более низкой, чем в опыте.
Khan (1972) на бедных почвах в условиях Пакистана провел исследования влияния предварительной микоризации кукурузы спорами эндогоновых грибов на содержание фосфора, накопление сухого вещества и формирование ее урожая. Микоризованные и немикоризованные перед пересадкой растения кукурузы выращивались при разном режиме фосфорного питания (с добавлением и без добавления фосфора). Определение сухого веса растений и определение в них фосфора проводилось через 15, 45, 60 и 90 дней после пересадки.
Различия по весу между микоризованными и немикоризованными растениями, по содержанию в них фосфора со временем становится весьма существенными, причем они особенно велики в варианте, где фосфор в почву не вносился.
Положительное влияние предварительной искусственной микоризации, по данным Капа (Khan, 1972), сказалось не только на увеличении сухого вещества и повышении содержания фосфора, но и на развитии початков.
Микоризованные растения как по размерам, так и по числу зерен и абсолютному весу семян значительно превосходят растения, не подвергнутые предварительной микоризации. Нельзя также не отметить, что искусственная микоризация кукурузы эндогоновыми грибами в опытах Кана оказалась даже более эффективной, чем внесение фосфорных удобрений. Последнее обстоятельство при совершенствовании методики искусственного заражения растений эндогоновыми грибами может иметь большое экономическое значение.
Если сам факт положительного влияния VAM на рост и развитие высшего растения доказаны многочисленными опытами, то механизм этого процесса остается еще не выясненным. Harley (1969) предполагает пять возможных путей влияния VAM на кормофитное растение: 1) через изменение и увеличение адсорбирующей поверхности у микоризных растений; 2) выделение в почву эндофитными грибами каких-то продуктов жизнедеятельности, которые воздействуют на усвоение питательных веществ; 3) через фиксацию атмосферного азота; 4) путем выработки в тканях корня ростовых стимуляторов, влияющих на метаболизм растения-хозяина; 5) через выработку микоризными грибами антибиотиков и других ингибиторов, которые могут создавать защитный химический барьер против патогенных инфекций.
В настоящее время в науке уже имеются некоторые доказательства в пользу первого, третьего и четвертого путей влияния везикулярно-арбускулярной микоризной инфекции на высшее растение.
Бейлис (Baylis, 1967; 1970; 1972) связывает степень эффективности микоризной инфекции с наличием или отсутствием корневых волосков. Гифы эндогоновых грибов, стелющиеся по поверхности корня, по Бэйлису, служат как бы продолжением корневого волоска и, следовательно, выполняют его функцию. Наличие или отсутствие корневых волосков и степень их развития служат мерилом полезности VAM: чем они слабее развиты, тем полезнее везикулярно-арбускулярные микоризы. У лука корневых волосков обычно нет (Mosse и др., 1969), в связи с чем эта культура очень отзывчива на везикулярно-арбускулярную микоризную инфекцию. У сои и кукурузы корневые волоски короткие и слабо развиты, поэтому данные растения также хорошо реагируют на заражение эндогоновыми грибами.
По данным Safir, Boyer a. Gerdemann (1971, 1972), существуют заметные отличия в водном режиме эндомикоризных и немикоризных растений. Изучая использование воды соей, они нашли, что микоризные растения значительно быстрее восстанавливают тургор после временного завядания, что, по их мнению, является следствием лучшего фосфорного питания микоризных растений. Микоризные и немикоризные растения, по Hayman a. Mosse (1972), используют одни и те же или сходные подвижные формы фосфатов. Следовательно, количественные различия в поглощении фосфатов микоризными и немикоризными растениями может быть объяснено только адсорбирующими свойствами микоризных корней. Bielensky (1973; Цит. по Mosse, 1973) подсчитал, что 4 гифовые связи, приходящиеся на 1 мм длины корня при их простирании на 20 мм от корневой поверхности, могут увеличить поглощение фосфатов в 10 и более раз. Каково же количество гиф, функционально связывающих почву и корень? На одном миллиметре длины корня, по данным разных авторов, приходится по 20 и более гифовых связей внутритканевого мицелия с ризоплейным (в среднем от 4 до 10). Такое количество контактов эндрфитного мицелия с почвой, по-видимому, обеспечивает большую адсорбцию фосфатов эндомикоризными растениями.
Большое значение имеют анастомозы и другие особенности ризоплейного мицелия, сильно ветвящегося, с большим количеством молодых боковых отростков, длительное время находящихся в фукционально молодом состоянии. В этом отношении эндомикоризы могут быть сравнены с эктомикоризами, одна из функций которых состоит в увеличении продолжительности жизни корней как органов поглощения.
На развитие ризоплейного мицелия, по-видимому, оказывает влияние и среда, в частности, наличие тех или шшх органических веществ. В опытах на агаре Mosse a. Phillipus (1971) выращивали микоризные растения Trifolium parviflorum. Они установили, что добавка ДНК и фосфата кальция в среду вызывает усиление роста Endogone и стимулирует спорообразование: мицелий разрастается до 4 см от корневой
поверхности, т. е. на расстояние значительно большее, чем зона истощения вокруг корней.
Хотя для некоторых растений, имеющих клубеньковый подтип везикулярно-арбускулярных микориз (Agathis, Podocarpus), доказана возможность фиксации атмосферного азота (Baylis, 1961, 1969), главное значение фикомицетных эндомикориз, по-видимому, состоит в том, что они участвуют в круговороте фосфора в природе. Фосфор встречается в почве в различных формах. Он входит в состав первичных минералов в форме фосфата кальция (апатитов, оксиапатитов, фторапатитов, фосфоритов), фосфатов и оксифосфатов железа (например, вивианиты). Но от 25 до 85% фосфора в почве находится в органической форме (Мишустин и Емцев, 1970). Фосфорорганические соединения, по их данным, составляют от 0,5 до 2% общего содержания органических веществ почвы. Фосфор входит в состав фитина и других инозитфосфатов, нуклеиновых кислот и нуклеотидов, лицетина и гумусовых соединений. В почву соединения фосфора поступают с растительными и животными остатками, а также при внесении удобрений. У сельскохозяйственных растений в тканях содержится от 0.05 до 0.5% фосфора.
В противоположность азоту и сере фосфор в тканях находится в окисленной форме. Минерализация Р-органических соединений идет обычно путем гидролитического отщепления фосфорной кислоты от соответствующих органических соединений. Этот процесс в почве осуществляется с помощью бактерий (преимущественно Bacillus mesenterius, Вас. megaterium, Pseudomonas sp.) и микроскопических грибов (виды pp. Rhizophagus, Penicillium, Aspergillus, Tricfyothecium, Alternaria, Rhodotorula и др.). Среди почвенных бактерий, по-видимому, существуют узко специализированные штаммы, приспособившиеся к разложению органических веществ, богатых фосфором. К ним, в частности, относятся: Bacillus megaterium var. phosphaticum (Генкель, 1974). В результате микробиологического расщепления Р-органических соединений образуется фосфорная кислота, которая тотчас же связывается с основаниями почвы, переходя по большей части в труднорастворимые и, следовательно, мало пригодные для питания растений соли кальция, магния и железа. Следовательно, фосфор на какое-то время выходит из малого круговорота веществ. Как же он вновь вовлекается в этот процесс? Вовлечение фосфора в круговорот веществ осуществляется микробиологическим путем — через внесение углекислоты, подкисляющей почву и, следовательно, увеличивающей растворимость фосфатов (Федоров, 1954; Мишустин и Емцев, 1970). Этому же процессу способствует деятельность нитрифицирующих бактерий и серобактерий.
Но, по-видимому, более универсальным является путь образования везикулярно-арбускулярных эндомикориз, способствующих использованию труднорастворимых соединений фосфора. Каким способом везикулярно-арбускулярные эндомикоризы могут способствовать усвоению фосфора? Экспериментальных данных, раскрывающих механизм этого процесса, никем еще не получено. По этому поводу можно высказать лишь гипотезу. Эндогоновые грибы, образующие эндомикоризы у большинства растений, по своему происхождению являются слабо патогенными организмами. Они вызывают хроническое заболевание корней, которое в известной мере оказывается полезным для растения-хозяина. На внедрение инородного организма высшее растение, как правило, реагирует усилением процесса дыхания (Купревич, 1947; Сухоруков, 1952; Лилли и Баррет, 1953; Гойман, 1954; Стэкмен и Харрар, 1959; Горленко, 1962; Беккер, 1963; Андреев и Серебрякова, 1968; Метлицкий и Озерецковский, 1968; Рубин и Арциховская, 1968; Головин и др., 1971;, Черемисинов, 1973; Билай, 1974 и др.). Если дыхание у микоризных растений идет более интенсивно, то, следовательно, больше выделяется углекислоты, способствующей переведению труднорастворимых соединений фосфора в доступные для растений формы. Большое значение, по-видимому, имеет и тот факт, что значительное число связей эндофитного мицелия с ризоплейным, а последнего с почвой повышает адсорбционную поверхность эндомикориз и увеличивает проницаемость клеток корня.
Фикомицетные везикулярно-арбускулярные эндомикоризы — древний тип микоризного симбиоза, известный еще с палеозоя. В результате длительной эволюции у высших растений выработались защитные реакции на внедрение эндофита, ограничивающие распространение микоризного гриба сравнительно небольшой зоной всасывания. Внешним проявлением реакций служит лизис эндофитного мицелия клетками корня растения-хозяина и формирование так называемой зоны переваривания в эндомикоризах. Благодаря активным реакциям растения-хозяина эндомикоризный гриб длительное время находится в функционально-молодом состоянии: он активно ветвится на поверхности корня и образует арбускулы в тканях. Между растением-хозяином и микоризообразующим грибом на длительное время устанавливается относительная сбалансированность во взаимоотношениях: гриб не настолько силен, чтобы стать настоящим патогеном, но и растение-хозяин не может уничтожить проникший в ткани гриб. Такое равновесие между грибом и растением-хозяином в эндомикоризах оказывается полезным для обоих симбионтов. Гриб живет за счет продуктов жизнедеятельности растения-хозяина, но, активизируя его физиологические процессы, в частности дыхание, он способствует более интенсивному поглощению фосфора из почвы эндомикоризными корнями по сравнению с немикоризными. Растение-хозяин, по-видимому, получает также какую-то пользу, лизируя гриб, проникающий в ткани корня. При таком лизисе протопласт гриба попадает в клетки корня и, вероятно, питательные вещества лизированной грибной клетки могут быть использованы высшим растением. Но этот вопрос требует экспериментального подтверждения.
В заключение интересно сравнить круговорот азота и фосфора в природе и роль симбиотрофизма в этом процессе. Азот обычно быстро выщелачивается из почвы, но он может быть легко восстановлен либо асимбиотически, либо симбиотической его фиксацией из атмосферы за счет жизнедеятельности клубеньковых бактерий, сожительствующих с корнями бобовых растений. Иначе обстоит дело с фосфором. Освобождающийся из органических веществ фосфор, как говорилось, быстро переходит в труднодоступные для растений соединения и тем самым на длительное время исключается из круговорота веществ. В процессе эволюции фикомицетные везикулярно-арбускулярные микоризы выработались как средство активного экстрагирования фосфора, выпавшего из малого круговорота веществ, и как способ вовлечения его в питательный цикл зеленых растений.