Пробуждение жизни после покоя семян

После покоя, попадая в благоприятные условия температуры и влажности, семена трогаются в рост.

У разных семян потребность в факторах среды неодинакова. Семена растений южного и тропического происхождения требуют для прорастания повышенной температуры, тогда как семена арктических и альпийских видов способны прорастать и при температуре, близкой к нулю.

Кардинальные температурные точки прорастания семян (по В. А. Новикову, 1961)

Семена, насасывая воду, увеличиваются в размере. Аналогичный процесс происходит и в мертвых семенах. Как в первых, так и во вторых действуют чисто физико-химические процессы набухания запасных веществ. Однако в дальнейшем в живых семенах начинаются биохимические процессы — разложение запасных веществ и создание новых, необходимых для жизнедеятельности растущего зародыша. Эти сложные перестройки осуществляют ферменты.

Академик И. П. Павлов так характеризовал значение ферментов в жизнедеятельности организма: «Все эти вещества играют огромную роль, они обусловливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни… Ферменты есть, так сказать, первый акт жизненной деятельности… Все химические процессы направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений».

Многочисленные ферменты — мощные биологические катализаторы. Они превращают белки, крахмал, жиры в более простые вещества: аминокислоты, сахара, жирные кислоты и другие соединения, нужные семенам для жизнедеятельности. Например, при прорастании зерна из сахарозы под влиянием фермента сахаразы образуются глюкоза и фруктоза, которые служат исходным материалом для создания новых жизненно необходимых соединений. В дальнейшем в их превращении принимают участие уже другие ферменты. Фермент подходит к тому веществу, на которое он действует, как ключ к замку.

Ферменты распределены в семени неравномерно. Они особенно многочисленны и активны в зародыше, в этой наиболее деятельной части семени. Так, если активность протеаз — ферментов, расщепляющих белки в зародыше, принять за 100%, то активность их в эндосперме составит всего лишь 11%. В зародыше активны и другие ферменты. И это не случайно. Дело в том, что по химическому составу, размеру и анатомическому строению части семени существенно- различаются между собой. В эндосперме зерновок пшеницы накапливается главным образом крахмал и очень мало белка, тогда как в зародыше нет крахмала, но много белка, сахаров и жира. В нем содержатся в высоких концентрациях и витамины — составные части ферментов.

Увеличение содержания витаминов при прорастании семян имеет важное биологическое значение. Этот период в жизни растений связан с усиленными процессами перестройки белков, углеводов, жиров и других запасных веществ. Превращение их в соединения, являющиеся составной частью вновь создаваемого тела растений, происходит при участии витаминов. Принимая участие в синтезе белков, аминокислот, сахаров и других жизненно необходимых веществ, витамины способствуют тем самым нормальному росту молодых растений. В том случае, когда в семени не хватает того или иного витамина, течение реакции нарушается, а вместе с этим изменяются и другие превращения веществ, что в конце концов приводит к задержке, а иногда и к полному прекращению роста растений»

При прорастании семян происходит не только биосинтез витаминов, но и их энергичное перераспределение внутри различных частей. Витамины из запасных частей семени устремляются к растущим. В опытах с пшеницей, прорастающей в темноте, было установлено, что в то время, как общее содержание витамина B₁ в семени осталось одним и тем же, количество его в зародыше за 18 дней увеличилось в 6,7 раза, а в эндосперме за это время уменьшилось в 3 раза.

Как всякая реакция, так и биохимические превращения в семенах зависят не только от наличия веществ, участвующих в реакциях, но и от условий внешней среды. Одни из них ускоряют реакции, другие, наоборот, тормозят, а иногда и полностью прекращают. Так, оптимальная активность липазы, расщепляющей жиры, — при pH = 8,0, в то время при pH = 4,0 этот фермент уже не действует.

Большое влияние на работу ферментов оказывает температура. Интенсивность дыхания, являющаяся следствием деятельности многих ферментов, возрастает по мере повышения температуры, достигая максимума при 50°, а затем резко падает. Но для превращения веществ в семени, кроме температуры, нужна еще и вода. Как известно, сухие семена не прорастают при любой температуре. И лишь при увлажнении начинают активизироваться ферменты и разыгрываться биохимические реакции. Если у семян злаков и бобовых культур поднять влажность выше 15%, а у масличных культур — выше 9%, то интенсивность дыхания семян быстро увеличивается. О значении воды для активизирования жизнедеятельности семян говорит такой факт. При повышении влажности семян с 12—14% до 28—30% интенсивность дыхания семян пшеницы повышается в тысячи раз. Таким образом, для дружного и энергичного прорастания семян нужны соответствующие условия увлажнения почвы и благоприятная температура. Но если семя продолжительное время находится в условиях избытка влаги, то наблюдается недостаток кислорода и нарушается нормальный обмен. В прорастающем семени накапливаются продукты распада (спирт и др.), вредно действующие на клетки.

При неблагоприятных условиях запасные питательные вещества используются на интенсивно идущие процессы дыхания и на биосинтез других органических соединений, а образование новых веществ в результате фотосинтеза и усвоения минеральных веществ так мало, что оно не обеспечивает потребность проростка, поэтому он сильно страдает и может погибнуть.

У различных семян уменьшение сухого веса проростков происходит за счет разных веществ. У зерновых, например, за счет крахмала, у масличных — за счет жиров. Установлено, что из 1000 проростков сухой вес семядолей подсолнечника уменьшился на 17 г, жира при этом расходовалось 14,4 г, белков и углеводов всего 2,6 г.

В нормально прорастающем семени течение реакций строго координировано. Эта согласованность реакций напоминает современный завод, на котором все процессы автоматизированы и деятельность одного станка влияет на успешную работу другого. Так и работа одних ферментов зависит от активности других. Например, чтобы проявилась активность сахаразы, разлагающей сахарозу, необходимо, чтобы до этого амилаза расщепила крахмал и тем самым предоставила материал для деятельности фермента сахаразы. Последняя создает среду для работы других ферментов.

Существует и строгая очередность в мобилизации запасных веществ. Например, при прорастании семян подсолнечника в первую очередь используются сахара, затем белки и значительно позднее жиры. В подсолнечнике жиры расходуются таким образом: если в 1000 семян содержалось жира 16,3 г. то в 14-дневных проростках — 15,3 г и в 47-дневных лишь 0,9 г. В прорастающем же зерне пшеницы наблюдается большой расход углеводов. Так, на третий день прорастания исчезает 20% бывших в зерне углеводов, на 10-й день — 63% и на 12-й день — 81 %. Так как при этом уменьшение углеводов происходит за счет разложения крахмала, то понятно, что по мере прорастания зерна активность амилазы возрастает во много раз. Сильно активизируются и ферменты, разлагающие белки. Активность протеазы у 3-дневных проростков в 6 раз больше, у 6-дневных — в 30 раз и у 8-дневных — в 45 раз больше, чем у непроросших семян.

Активная деятельность протеаз приводит к распаду белка в семенах. Например, в зерновках кукурузы содержалось 96% всех азотистых веществ в форме белковых соединений, а через 8 дней прорастания количество их уменьшилось до 57%.

В результате распада белка в проростках накапливаются пептиды и аминокислоты — составные части белка. Так, в покоящихся семенах подсолнечника 8 свободных аминокислот: лизин, аргинин, серин, треонин, глутаминовая кислота, аланин, пролин и валин. По мере прорастания семян к этим аминокислотам прибавляются еще восемь: гистидин, аспарагиновая кислота, аспарагин, тирозин, триптофан, фенилаланин, лейцин и γ-аминомасляная кислота. Биосинтез этих и других аминокислот создает благоприятный субстрат для новообразования белков, являющихся основой жизнедеятельности проростков. И не случайно по мере дальнейшего роста проростков содержание аминокислот уменьшается, а белков возрастает.

Однако не все аминокислоты при прорастании семян превращаются в белки. Часть их расщепляется на аммиак и другие соединения. В связи с этим ожидалось, что в проростках должен накапливаться аммиак. Но тщательные анализы показали, что это токсичное соединение в тканях не остается. Академик Д. Н. Прянишников убедительными опытами доказал, что накопление аммиака не происходит потому, что он, соединяясь с другими веществами, образует аспарагин и глютамин. Это наблюдается и в том случае, если семена проращиваются в растворах аммонийных солей. Когда же проросткам нужен источник азота, то с помощью ферментов они получают аммиак из аспарагина и глютамина.

При прорастании семян из всех их частей запасы расходуются неодновременно. Зародыш, трогаясь в рост, в первую очередь использует свои запасы, а затем уже и вещества, находящиеся в эндосперме. Последний является как бы резервуаром, поставляющим питательные вещества развивающемуся зародышу. Этот резервуар у некоторых семян весьма велик. Например, у зерновок пшеницы от веса целого семени зародыш составляет всего около 3%, тогда как эндосперм более 80%. Понятно, что при недоразвитии эндосперма и тем более при удалении его» нарушается нормальное поступление питательных веществ в зародыш, что приводит к торможению процессов роста.

Другой пример. При удалении оболочек у некоторых семян (груша, яблоня и др.) наблюдается торможение роста сеянцев. Это объясняется тем, что зародыш переходит к прорастанию, а ткани других частей растения еще находятся в покое и поэтому не в состоянии обеспечивать его питательными веществами. При стратификации все ткани начинают жизнедеятельность и нормально доставляют нужные вещества развивающемуся зародышу.

О важной роли запасных веществ семени в процессах роста и развития растений указывает и такой факт. Если семена ржи до начала яровизации проращивать при температуре 25° и затем их яровизировать, то колошение растений снижается, а если проращивание продолжается в течение 8—10 дней, то почти все растения не выколашиваются. Создается впечатление, что на такие истощенные семена яровизация не оказывает никакого действия.

Интенсивно идущий обмен веществ в прорастающих семенах создает новые клеточные структуры и ткани проростков. Особенно активно развивается корневая система. Растение как бы торопится захватить воду и питательные вещества из почвы.

Корни проростков, встречаясь с питательными элементами почвы, ассимилируют их. Причем чем ближе они расположены к семени, тем быстрее происходит их встреча и усвоение. Так, при внесении меченого изотопа фосфора на глубину 3—4 см он был обнаружен в проростках на второй-третий день после прорастания семян, а при большей глубине заделки и смещении суперфосфата в сторону от семян на 5—6 см эта встреча корней с фосфором состоялась лишь через 3—4 недели.

Израсходовав запасы, проростки переходят на снабжение за счет веществ, находящихся в почве. Особенно чувствительно реагируют на недостаток фосфора те проростки, в которых малы его запасы (просо, пшеница, и др.). Страдают молодые растения, если в почве они не находят азота, калия и других элементов питания. Недостаток, а тем более отсутствие этих удобрений не позволяет проростку использовать продукты фотосинтеза для создания жизненно необходимых соединении. Поэтому растения сильно задерживаются в росте и к концу вегетации дают небольшой урожай.

Прорастающее семя встречается в почве не только с питательными веществами и с влагой, но и с многочисленными микроорганизмами. Одни из них способствуют жизнедеятельности проростков, а другие, наоборот, тормозят эти процессы. Человек давно использует полезные бактерии для улучшения роста и развития растений.

Бактериальные удобрения широко применяются на самых различных культурах. Такие удобрения обеспечивают прорастающие семена азотом, фосфором, ауксинами, витаминами, аминокислотами и другими жизненно необходимыми соединениями, а вместе с тем способствуют лучшему использованию минеральных и органических удобрений. Проростки, в свою очередь, «заботятся» о размножении этих полезных бактерий. Выделяя в почву продукты своей жизнедеятельности, они стимулируют размножение азотобактера и других нужных микроорганизмов.

На корневые выделения привлекаются и микроорганизмы, которые угнетают проростки, а иногда и приводят к их гибели. Хорошо известно, что проростки кукурузы, огурцов, перца, хлопчатника при температуре около +10° растут очень плохо, а многие из них погибают. Раньше считали, что страдание и гибель растений связаны с тем, что для этих культур нужна более высокая температура. Однако последние исследования говорят о несостоятельности этих утверждений. Оказалось, что при пониженных температурах в почве развиваются грибки (фузариум, питиум и др.), которые выделяют вещества, губительно действующие на проростки. Если такую почву прогреть и убить грибки, то растения не болеют и не погибают. Но такой способ, конечно, не применим в практике. Поэтому стали искать иных приемов борьбы с болезнетворными грибками. Удалось найти микроорганизмы, которые, выделяя антибиотики, подавляют развитие болезнетворных грибков.

А нельзя ли антибиотики или другие вещества вносить непосредственно с семенами или в почву? Лабораторные исследования и полевые опыты подтвердили такую возможность. Оказалось, что если семена огурцов, перца, хлопчатника «опудрить» антигрибковым препаратом, например тиурамом, то проростки этих растений не повреждаются болезнетворными грибками.

Итак, семя, появившись на материнском растении, впитав в себя его свойства, передает их новому поколению. Хотя семя и невелико по размеру, но в нем есть необходимое, чтобы в благоприятных условиях дать начало образованию проростка, довести его до самостоятельного обеспечения питательными веществами.