Фосфор занимает одно из важнейших мест в росте, делении клеток и образовании эмбриональных меристематических тканей.
Являясь конституционным элементом растительных тканей, фосфор необходим для осуществления многих биохимических процессов и играет исключительную роль как носитель энергии в важных для роста синтезах клеточных белков, в углеводном метаболизме, в процессах фотосинтеза и дыхании. «Теперь уже можно говорить о том, что с каждым днем остается все меньше и меньше таких физиологических функций, в осуществлении которых фосфорная кислота и ее соединения не принимали бы самого непосредственного участия. Может быть, недалеко то время, когда биохимическую динамику клетки мы будем характеризовать как химию соединений фосфорной кислоты».
Для фосфора характерна способность к образованию самых разнообразных типов связей с малым и большим энергетическим потенциалом и внутренняя нестабильность связей, облегчающая обмен. Отсюда его исключительная роль в биохимии и энергетике физиологических процессов.
Особенностью превращений соединений фосфора является сохранение степени его окисле ни ости при всех обменных процессах. Весь акт этих превращений всегда сводится к передаче остатка фосфорной кислоты другим веществам, находящимся в растении. В этом акте и заключаются все процессы фосфорилирования или перефосфорилирования различных органических веществ растений.
Процессы фосфорилирования в жизнедеятельности растений и, в частности, в ростовых явлениях занимают особо важное место, ибо они ведут к возникновению богатых энергией связей. Вступая во взаимодействие с другими веществами, макроэргические соединения, например аденозинтрифосфорная кислота, освобождают накопленную энергию фосфатных связей, которая используется в эндотермических процессах.
О тесной связи соединений фосфора с ростом растений говорит уже тот факт, что всегда происходит концентрация фосфора в растущих тканях кончиков корней и верхушек побегов. Замедление роста и задержка созревания являются главными симптомами фосфорного голодания, особенно при наличии в достаточном количестве других питательных веществ, таких, как азот и калий.
Соли фосфорной кислоты поглощаются молодыми растениями гораздо быстрее, чем взрослыми, и очень быстро передвигаются в точки активного роста.
Демолон ссылается на старые работы Бренчли, в которых показано, что ячмень в водных культурах в течение первых шести недель поглощал достаточно фосфатов для обеспечения его дальнейшего нормального развития. При недостатке фосфора в первые четыре недели колошение не происходило, если даже фосфор вносили в последующее время в компенсирующих количествах.
Основными группами фосфорных соединений в растительной клетке являются следующие: нуклеиновые кислоты, фосфатиды, сахарофосфаты, фитин, фосфор крахмала и минеральные фосфаты. Содержание и роль этих соединений в растениях различны.
Фосфатиды, нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды являются конституционными веществами протоплазмы. Это наиболее устойчивые формы фосфорных соединений. У растений они накапливаются главным образом в местах интенсивного роста и новообразований. Фосфатиды образуют с белками белковолипоидные комплексы липоидной оболочки в клетке и определяют физиологическое состояние клетки.
Фитин представляет собой запасную форму фосфора, которая при прорастании зерна служит главным источником фосфорной кислоты, необходимым для углеводного обмена и синтеза нуклеиновых кислот.
В растительных тканях нередко в больших количествах накапливаются сахарофосфаты и неорганические соединения фосфора. Первые большую роль играют в процессе дыхания как промежуточные продукты обмена углеводов, вторые — как. исходный материал для синтеза фосфорорганических соединений и факторы физико-химической регуляции внутриклеточного обмена. Значительная часть фосфорной кислоты (иногда до 50% всего ее количества) остается в растении в ионной форме и играет очень важную роль при превращении углеводов, с которыми она дает сложные эфиры, легче подвергающиеся дальнейшим изменениям в процессах дыхания и брожения; эти соли служат также буферам при регулировании концентрации водородных ионов в растении. Особенно много неорганических фосфатов находится в тех частях растения, где идет энергичная мобилизация запасных веществ, например в прорастающих семенах.
В процессе развития растений содержание фосфорных соединений в тканях и органах подвергается значительным изменениям. Литературные данные по динамике общего фосфора показывают, что относительное содержание его к концу вегетации резко падает в стеблях и листьях и возрастает в початках, что связано с оттоком фосфорных соединений из вегетативных органов и реутилизацией их в зерне.
Фосфор усваивается растениями в течение всего вегетационного периода и в максимальных количествах накапливается в период репродукции.
Фосфорные соединения чрезвычайно лабильны — уже незначительные изменения условий среды нарушают процесс их превращений, в первую очередь легкоподвижных, растворимых фракций. Представляет значительный интерес изучение биосинтеза сложных фосфорных соединений, их взаимопревращения в растении.
Имеются указания о возможности усвоения фосфора в виде сложных фосфорорганических соединений, причем поглощению фосфора из фосфорорганических соединений предшествует отщепление фосфорной кислоты в неорганической форме при помощи выделяемых корнями ферментов-фосфатаз.
Меристем этические клетки поглощают небольшие количества минеральных элементов и сразу используют их в процессах синтеза. Клетки, перешедшие к растяжению, поглощают больше минеральных элементов, чем меристематические клетки; поглощенные ионы также используются в систематических процессах.
Для клеток, закончивших рост (зона корневых волосков), характерно еще более интенсивное поглощение, однако в этом случае значительная часть поглощенных ионов передвигается в надземные органы. По существу, зоны роста корня в то же время являются и этапами формирования поглотительной функции корня.
Фосфорный обмен в корнях можно характеризовать данными, полученными Суди и Мароти, показавшими, что содержание общего фосфора в клетке корней проростка гороха увеличивается пропорционально ее удалению от кончика. Последовательно идущие участки корня в 1 мм длиной содержат соответственно 20, 39; 25, 93; 36, 67; 43, 28; 49, 05; 53, 63; 58, 75; 66, 55; 74, 73 г · 10-12 общего фосфора. Количество свободных растворимых фосфорных соединений с мизкомолекулярным весом (спирторастворимые) в течение роста клеток увеличивается значительно быстрее, чем общее содержание фосфора. Наблюдается уменьшение относительного количества других фосфорных соединений по мере удлинения корневых клеток. Особенно значительное уменьшение заметно для РНК (от 33 до 8% общего фосфора). Кислоторастворимые соединения в процентном отношении к общему фосфору остаются почти на одном уровне, но абсолютное их содержание значительно снижается. Наивысшее содержание белкового фосфора характерно для меристематической зоны кончика корня.
При поступлении в поглощающие клетки неорганический фосфат уже в первые секунды включается через процесс дыхания в реакции окислительного фосфорилирования, образуя богатые энергией фосфатные связи в АТФ. Отсюда он почти столь же быстро расходуется в реакциях. Один из путей использования фосфата состоит в активации сахаров с помощью гексокиназы, что способствует их вовлечению в процессы гликолиза и дыхания. Это в свою очередь усиливает ассимиляцию неорганического фосфата, и таким образом в корнях, пришедших в соприкосновение с фосфором, возникает как автокаталитический процесс дополнительное «солевое» дыхание. Это подтверждается биохимическими данными и микрокиносъемками с возбуждением митохондрий под влиянием поступающего в корни фосфора.
Усиление дыхания корней при абсорбции питательных элементов было известно и ранее, однако непосредственный механизм его возникновения и внешние проявления раскрываются лишь этими опытами. На основе возбужденного дыхания в корнях получают развитие и другие процессы. С помощью АТФ происходит активация аминокислот, что необходимо для их посадки на низкомолекулярную S-РНК перед включением в белки.
Активность метаболизма фосфата при его поступлении в клетки корней такова, что уже через 5—7 мин после абсорбции неорганический фосфат при условии, что его концентрация невелика, оказывается на 70—80% в составе органических соединении.
Роль фосфора в метаболизме состоит преимущественно в образовании временных связей с органическими веществами, что повышает их способность к различным реакциям. Поэтому пройдя зону корневой паренхимы, где поглощенный фосфат участвует в обмене веществ, он выделяется в неорганической форме в сосуды и транспортируется с восходящим током воды к новым зонам метаболизма, где опять включается в активные превращения, определяя энергетический уровень тканей и органов.
В связи со сказанным представляют интерес результаты исследовании, полученные при изучении качественного и количественного содержания фосфора в пасоке растений.
В наших опытах рассаду томатов сорта Первенец 190 выращивали гидропонным методом с питательным раствором Гельригеля (двойная норма). В фазе 4 листьев (растения месячного возраста) корни были замочены в течение 4 час в 0,1%-ном растворе гетероауксина, контрольные — в воде. После обработки растения переносили в вегетационные сосуды (гидропонная культура на гравии, питательный раствор Гельригеля, двойная норма). Растения в возрасте 2,5 месяцев (14.IX) были срезаны. Надземная часть (раздельно листья и стебель) зафиксирована в жидком азоте, затем высушена лиофильно. Со срезанных растений производили сбор пасоки в различные промежутки времени — от 0 до 45 час — в простерилизованные приемники. Всего произведено шесть снятий в интервалах 0—2,5, 2,5—4, 4—7, 7—19, 19—33, 33—45 час.
Изучался состав фосфорных соединений собираемой пасоки по периодам. Расчет производили в мг Р2О5 на 100 мл пасоки. Определение фосфора проводили по колориметрическому методу Дениже. В пасоке всех периодов снятия преобладали минеральные формы фосфорных соединений. По мере отдаления срока сбора пасоки концентрация фосфорных соединений в контроле и опыте снижалась начиная с интервала 4—7 час и позднее. Это объясняется, по-видимому, тем, что удаление надземных органов при сборе пасоки лишает корневые системы притока органических веществ из листьев.
Пасока опытных растений отличалась меньшей концентрацией фосфорных соединений во все сроки снятия. Интересно отметить, что после сбора пасоки корни опытных растений содержали еще значительное количество фосфора, несколько превышающее контроль. Видимо, опытные растения более экономно используют поступающий в корень фосфор. Об этом свидетельствует и меньшая концентрация его в пасоке и стеблях опытных растений.
Листья же контрольных и «гетероауксиновых» растений обеспечены почти одинаково. На более экономное использование фосфорных соединений растениями при обработке физиологически активными веществами указывал Е. П. Старченков.
Ростовые процессы в значительной степени определяются условиями фосфорного питания. Отмечено положительное действие временного исключения фосфора из питательной смеси в период цветения на накопление сухой массы отдельными органами в опытных растениях. Этот положительный эффект усиливается при последующем возобновлении фосфорного питания и приводит к значительному повышению веса как общей сухой массы, так и семян в конце вегетационного периода.
О роли фосфора в процессах роста отдельных органов сои свидетельствует динамика его распределения по органам растения в разные фазы роста. При нормальном (обычном, непрерывном) фосфорном питании в первые 45 дней наименьше фосфора накапливается в корнях (25 мг) и наибольшие — в листьях (105 мг). Однако уже в 60-дневном возрасте максимум фосфора содержат корни (134 мг), затем — стебли (122 мг), листья же начинают отставать. Основная масса фосфора в растениях сои накопилась к 60 дням: 447,9 мг из 461,3 мг, содержащихся в органах растения в период его полного созревания.
Сильное стимулирующее действие на накопление фосфора в органах растений сои оказало временное его исключение в период цветения: в этих условиях в органах растения за 15 дней накопилось около 80% фосфора (между 45 и 60 днями вегетации).
В течение вегетационного периода происходит значительное накоплений фосфорной кислоты не только в надземных органах, но и в корневой системе, где синтезируется большое количество органического фосфора, который в дальнейшем используется в процессе реутилизации фосфора в растении.
Активность ростовых процессов в разные периоды вегетации связана с динамикой различных форм фосфорных соединений. Так, почки многолетних трав (тимофеевка, овсяница) в осенний и весенний периоды имеют почти одинаковый процент общего фосфора, при этом почки молодых растений значительно богаче фосфором. Однако в осенний период содержание неорганического и кислоторастворимого органического фосфора совершенно ничтожно, в то время как к весеннему периоду образования из почек побегов количество кислоторастворимого органического фосфора резко увеличивается, содержание фосфора нуклеопротеидов и фосфатидов снижается, неорганический фосфор остается на низком, относительно постоянном уровне. Значительные изменения тех или иных фосфорных соединений, конечно, связаны с затуханием и возобновлением ростовых процессов в периоды зимования и весны.
В некоторых исследованиях отмечалось увеличение абсолютного содержания фосфорных соединений по мере нарастания органической массы (коксагыз). При этом процент отдельных фракций от общего фосфора не оставался постоянным: в ранних фазах роста фосфор ассимилировался преимущественно в виде органических соединений, с возрастом относительное содержание фосфора нуклеопротеидов и фосфатидов резко уменьшалось, а минерального — увеличивалось. Эта закономерность носит общий характер, ибо для всех растений в период интенсивной деятельности меристемы и роста клеток характерно использование фосфора на построение конституционных частей клеток и тканей (нуклеопротеидов и фосфатидов). Хорошая обеспеченность растений фосфором на ранних фазах их роста обусловливает возможность активного синтеза нуклеопротеидов и фосфатидов и высокую интенсивность ростовых процессов. На примере двух сортов гороха видно, что в первый месяц их роста постепенно увеличивается содержание всех форм фосфорных соединений. Общее содержание фосфора в месячных растениях в три раза превышает его количество в десятидневных растениях. Растения низкорослого сорта содержат меньшее количество общего фосфора и различных его фракций. У обоих сортов обнаружено особенно большое и все возрастающее количество кислого растворимого органического фосфора, куда входят такие важные соединения, как АТФ, АДФ, фосфопировиноградная кислота, фосфорилированные сахара и др. Содержание кислоторастворимого органического фосфора достигает почти половины общего фосфора.
Здесь следует отметить, что некоторые фосфорные кислоторастворимые органические соединения и прежде всего фосфорилированные сахара содержатся в ничтожном количестве по сравнению с общим содержанием этих соединений в растении. Их концентрация обычно в десятки и сотни раз ниже концентрации сахарозы и свободных гексоз. Изучение фосфорилированных сахаров связано с серьезными методическими трудностями, вызываемыми не только слабыми концентрациями этих веществ, но и чрезвычайно быстрым гидролизом фосфорных эфиров весьма активными растительными фосфатазами.
Однако имеющиеся материалы позволяют дать определенную характеристику роли фосфорилированных соединений и их превращения в растениях, хотя работы по идентификации фосфорных эфиров и определению их концентрации еще немногочисленны.
Концентрация фосфорилированных сахаров в растениях в высшей степени зависит от характера обмена веществ и может претерпевать глубокие изменения в течение, нескольких секунд. Резкие изменения в содержании этих фосфорных соединений требуют надлежащей осторожности при оценке значения единичных определений фосфата в системе, претерпевающей быстрые метаболические превращения. Многочисленные исследования с одновременным применением хроматографического метода и метода меченых атомов позволили Бенсону нарисовать пусть неполную, но все же достаточно интересную картину превращений фосфорилированных сахаров в растениях, которая делает совершенно ясной исключительную роль фосфора в важнейших физиологических процессах (дыхание и фотосинтез), определяющих биохимические основы новообразования живого вещества растений, их роста.
По сравнению с другими фосфорными соединениями фосфатиды и нерастворимый фосфор (в основном нуклеопротеидный) содержатся относительно в меньших количествах, однако их значение в процессах роста растений чрезвычайно велико. О нуклеиновых соединениях мы уже подробно говорили. Что касается фосфатидов, то их обмен в растениях исследован крайне недостаточно.
Фосфатиды являются сложными эфирами глицерина и жирных кислот. Отличаются от настоящих жиров содержанием фосфорной кислоты и связанного с ней азотистого основания. Значительная часть фосфатидов содержится в протоплазме в виде так называемых липопротеидов, представляющих собою соединения липоидов с белками. Липоиды участвуют в регулировании проницаемости клетки для поступающих в нее веществ и играют важную роль в адсорбционных процессах протоплазмы. По данным Сисакяна с сотрудниками, липоиды играют исключительно важную роль в синтезе белка, происходящем в хлоропластах. В сухом веществе хлоропластов содержится 29,0—36,2% липоидов. Следует предположить, что образующиеся в результате гидролитического расщепления фосфатидов глицерин, жирные кислоты, фосфорная кислота и азотистые основания, вовлекаясь в различные реакции обмена, участвуют в дальнейшем в процессах, определяющих ростовую активность растений.
Интенсификация роста растений всегда сопровождается изменениями в фосфорном обмене.
Стимуляция роста гипокотилей карликовой фасоли действием нафтилуксусной кислоты сопровождается увеличением содержания кислоторастворимых фракций и фосфора рибонуклеиновой кислоты.
Влияние индолилуксусной кислоты на макроэргический фосфорный обмен обнаруживается в период между 15 и 45 мин от начала обработки изолированных сегментов междоузлий гороха, когда уже наблюдается увеличение соотношения АТФ/АДФ при одновременной стимуляции роста и дыхания. Это указывает на важность аденилфосфатной системы в механизме действия ауксина на дыхание и рост. Через 30 мин после начала обработки содержание АТФ понижается, а поглощение O2 все еще неуклонно повышается. Предполагается, что уменьшение содержания макроэргических фосфатных связей зависит не от уменьшения интенсивности процесса фосфорилирования, а происходит за счет какого-то вида работы, связанной с ростом, возможно, с новообразованием протоплазмы и структур клеточной оболочки.
Изучение фракций фосфора в листьях, стеблях и корнях двухнедельных растений фасоли, обработанных 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислотой, показали, что общее содержание фосфора в листьях этих растений было ниже, чем у необработанных. Уменьшение содержания фосфора происходило главным образом за счет кислото — и спирторастворимых фракций. В тканях стеблей, наоборот, имело место увеличение содержания общего фосфора при воздействии 2,4-Д по сравнению с контролем. У обработанных растений фосфора нуклеиновой кислоты было в два раза больше, несколько выше был также уровень кислоторастворимого и спирторастворимого фосфора. В корнях отличий по опытным и контрольным растениям практически не было.
В наших опытах стимуляция роста путем воздействия гиббереллином также сопровождалась определенными изменениями в обмене фосфорсодержащих веществ. Растения высокорослого сорта гороха через шесть дней после их обработки гибберелловой кислотой выявили значительное отличие от контрольных по содержанию в них общего фосфора и всех его фракций.
Содержание общего фосфора в опытных растениях по сравнению с контрольными было больше на 32%, спирторастворимого — на 34, кислоторастворимого — на 47, нерастворимого — на 43 и неорганического — на 19%. В дальнейшем контрольные растения продолжали накапливать фосфорные соединения: за шесть дней их общее количество увеличилось почти на 17%.
Содержание общего фосфора в опытных растениях достигло уровня контрольных, а количество фосфора фосфатидов и нуклеопротеидов стало даже ниже, чем в контрольных. Кислоторастворимые соединения фосфора (органические и неорганические) содержались в «гиббереллиновых» растениях в больших количествах по сравнению с контрольными.
Растения низкорослого сорта гороха реагировали на гиббереллин противоположным образом. Через шесть дней после обработки этих растений стимулятором наступило уменьшение количества всех органических фракций фосфора. Содержание спирторастворимых фосфорных соединений уменьшилось на 44%. Уровень неорганического фосфора оставался более высоким у опытных растений. В последующие шесть дней содержание общего фосфора уменьшилось как в опытных, так и в контрольных растениях, но гиббереллин усилил снижение его уровня. Различия по содержанию большинства фосфорных соединений у опытных и контрольных растении во второй срок анализов оказались незначительными, только количество нуклеопротеидного фосфора у опытных растений было на 23% меньше, чем у контрольных.
Объяснение полученным нами данным надо, по-видимому, искать в особенностях роста изучаемых растений. Если вспомнить, что у высокорослого гороха к концу второй недели гиббереллин вызвал удлинение растений на 11 % и увеличение веса сухого вещества на 16%, а у низкорослого сорта — соответственно на 161 и 6%. станет ясным, что отличия в содержании фосфора связаны с ростовыми процессами. Надо, однако, иметь в виду, что у других видов может иметь место противоположная картина количественного содержания некоторых фосфорсодержащих соединений для сравниваемых высокорослых и низкорослых сортов.
Здесь следует обратить внимание на особенности накопления и расходования нуклеопротеидного фосфора. Интересно, что низкорослый сорт фасоли накапливает значительно большие количества этого соединения по сравнению с высокорослым, однако гиббереллин повышает содержание нерастворимого фосфора у последнего и снижает у первого.
Обратная картина наблюдается в содержании кислоторастворимого фосфора в растениях этих сортов фасоли. Для последних характерно увеличение веса сухого вещества прямо пропорционально линейному ускорению роста. Приведенные выше результаты наших исследований, характеризующие действия стимуляторов роста на фосфорный обмен, позволяют утверждать, что это действие зависит от видовых и сортовых особенностей растений и по-разному проявляется для различных фосфорных соединений, имеющих неодинаковое значение в ростовых процессах. И. В. Мосолов с сотрудниками указывает на повышенное поглощение фосфора под действием гиббереллина и одновременное увеличение количества органического и минерального фосфора в листьях кукурузы. В условиях повышенного снабжения фосфором наблюдалось увеличение содержания нуклеопротеидов и фосфатидов. В случае преобладания в питательной среде азота над фосфором гиббереллин способствовал одностороннему повышению синтеза простых белков и снижал синтез сложных фосфорорганических белков нуклеопротеидов. В других исследованиях показано, что уже через 1—5 мин после обработки клевера гибберелловой кислотой заметно увеличивается содержание растворимого органического фосфора, сопровождающееся понижением содержания неорганических фосфатов. О положительном влиянии гиббереллина на уровень фосфатидов в листьях растений сообщили Луштинец и Покорна.
Подводя итог сказанному, можно заключить, что особенности роста определяются в значительной степени превращениями фосфорных соединений в зонах новообразования протоплазмы.