Во многих случаях у медленно прорастающих семян отсутствие этой готовности является единственной причиной задержки прорастания.
Это установлено по отношению к семенам многих древесных пород из сем. Rosaceae. В частности, как показали опыты Флемион (Flemion, 1931), если выдерживать семена рябины при благоприятной для прорастания температуре +15° на влажном торфяном мхе, то прорастания не наступает даже через 150 дней. Но если испытывать всхожесть семян рябины после предварительного выдерживания семян при низкой температуре на влажном субстрате, так называемой стратификации, то получается совершенно иной результат.
Чрезвычайно интересной чертой изучавшегося процесса приобретения готовности к прорастанию семенами рябины является очень низкий температурный оптимум. Правда, как показали специальные исследования, нередко высказывавшееся прежде утверждение о необходимости промораживания для обеспечения всхожести трудно прорастающих семян оказалось неверным. Таким образом, приобретение готовности к прорастанию семенами рябины происходит не при отрицательных температурах, но температурный оптимум процесса лежит около 0° в области низких положительных температур от 0 до 5°.
Этот процесс обусловлен изменениями, протекающими именно в зародыше семян, а не в семенных покровах. Об этом свидетельствуют интересные опыты, в которых испытывалась способность к прорастанию зародыша, извлеченного из семени и помещенного при комнатной температуре +15, +20° на влажную фильтровальную бумагу. Наряду с этим, другие порции извлеченных из семян зародышей предварительно стратифицировались при различных температурах, а затем также помещались на влажную фильтровальную бумагу при комнатной температуре.
Результаты испытанных вариантов воздействия на зародыши семян рябины сказались очень определенно. Лишь при низких положительных температурах зародыши приобрели готовность к прорастанию. В связи с этим естественно возникает вопрос, как протекал этот процесс. Рассмотренные выше процессы развития яйцеклеток водорослей сем. pucaceae, прохождения жизненного цикла и сексуализации водоросли Chlamydomonas eugametus познакомили нас с характерными чертами прохождения этапов развития. После периода невидимых даже при микроскопическом наблюдении изменений, занимающего иногда более или менее значительные промежутки времени, сразу начинается бросающееся в глаза образование новых структур. Граница процессов детерминации, приобретения готовности к прохождению этапа развития и наблюдаемых изменений в росте оказывается весьма резко выраженной. Это же имеет место и при прорастании семян, при приобретении зародышем семени рябины готовности к прорастанию.
Переход от состояния зародыша, стратифицированного 4 недели, к состоянию зародыша, стратифицированного 6 недель, оказывается очень резким. В данном случае наблюдался тот хорошо выраженный порог действия фактора, обусловливающего прохождение этапа развития, с которым мы уже встречались и будем встречаться в дальнейшем изложении. При изучении процесса развития водоросли Chlamydomonas eugametus Мевусу и Куну, как мы видели выше, удалось вскрыть, что является основой резко выраженного порога действия условий, определяющих прохождение этапов развития организма. Эта основа — достижение соответствующим физиологически активным веществом порога эффективной концентрации.
Поэтому для объяснения приведенных выше экспериментов с зародышем семян рябины естественно допустить, что при стратификации происходит постепенное нарастание количества какого-то деятельного в прорастании вещества. Когда его концентрация достигает порога эффективной концентрации, то после прохождения ряда цепных реакций зародыш приобретает готовность к прорастанию.
К сожалению, в отношении процесса прорастания семян мы осведомлены значительно меньше, чем о сексуализации клеток хламидомонад. Но имеющийся материал позволяет заключить, что действительно можно установить около 4-й—6-й недели стратификации буквально скачкообразное нарастание активности каталазы. Чрезвычайно интересно, что это имеет место лишь при стратификации в области пониженных температур. Выдерживание семян при благоприятных для прорастания температурах +15, + 20° не вызывает значительного нарастания активности каталазы.
Можно считать, что наблюдавшееся Флемион быстрое нарастание активности катализы является выражением тех цепных реакций, которые упомянуты нами. Это, конечно, лишь одна из цепных реакций данного рода. Только в результате прохождения всей цепи превращений зародыш семени приобретает готовность к прорастанию. Таким образом, мы приходим к представлению о прорастании семян как об одном из этапов развития, носящем черты, свойственные вообще процессам развития. Посмотрим, можно ли по отношению к прорастанию семян установить ту обратимость процессов детерминации, которая отмечалась нами выше для поляризации яйцеклеток водорослей.
В данном случае эксперимент, устанавливающий обратимость детерминационного процесса, проводится следующим образом. Семена рябины подвергаются стратификации при +1° в течение 11 недель. За это время они частью приобретают готовность к прорастанию, что устанавливается выдерживанием их на влажном мхе при температуре +10°, +15°, +20°. Часть семян, не проросших при этих температурах и не заплесневевших за 4 и за 8 недель, вновь подвергается стратификации при + 1°. Оказывается, что «в таком случае повторная стратификация позволяет сделать семена всхожими, но это требует такой же длительности стратификации, как и для семян, совершенно не подвергавшихся ей. Следовательно, пребывание семян, прошедших стратификацию, при высокой температуре совершенно снимает эффект действия низкой температуры. Объяснить этот факт можно лишь допустив, что у части семян за время пребывания при пониженной температуре прошли лишь процессы детерминации, но еще не приобретена готовность к прорастанию. В условиях более высокой температуры происходит разрушение или превращение физиологически активного вещества, накопленного при низкой температуре. В результате зародыш семени возвращается к исходному состоянию.
К сожалению, нет возможности уточнить представление о природе этого гипотетического вещества, делающего зародыш готовым к прорастанию, или о процессах, приводящих к его образованию и накоплению. Некоторые указания о характере этих превращений можно получить, обращаясь к данным опытов, в которых изучалось действие различных условий хранения на эффективность последующей стратификации при +1°.
Если воздушно-сухие семена хранить при различных температурах в условиях свободного доступа воздуха и в плотно закрытых сосудах, то это сильно сказывается на зародышах семян. После четырехмесячного хранения в условиях свободного доступа воздуха при низкой температуре можно последующей стратификацией вызвать прорастание у 100% семян. Параллельная порция семян, хранившаяся при той же температуре 4 месяца в плотно закрытом сосуде, после стратификации дает всего 70% всхожих семян. Еще сильнее сказывается значение аэрации при хранении семян в течение более коротких промежутков времени. Так, после двухмесячного хранения при низкой температуре и стратификации семена, хранившиеся в условиях хорошей аэрации, обнаружили 27,5% всхожести, а в закрытых сосудах — всего 1% всхожести. Напрашивается вывод, что приобретение готовности к прорастанию связано с окислительными процессами.
К этому же выводу можно прийти и на основании интересных опытов Крокера (Crocker, 1906), изучавшего процесс прорастания семян Xanthium pennsylvanicum. Семена этого растения, извлеченные из зрелых плодов, не прорастают без предварительной стратификации при пониженных температурах. Она должна продолжаться значительное время и, как показывают опыты, представляет собой процесс подготовки зародыша к прорастанию. Детальный физиологический анализ процесса приобретения готовности к прорастанию семенами Xanthium pennsylvanicum также еще не удалось провести, но и в данном случае можно заключить, что он основывается на окислительных реакциях.
Крокер, подвергая порцию семян стратификации, приводил их в состояние готовности к прорастанию, а затем помещал на время под толстый слой агара в длинных пробирках или под слой лепной глины. Даже несколько дней пребывания предварительно стратифицированных семян в этих условиях ухудшенной аэрации совершенно изменяли их состояние. Как показали опыты, эти семена теряли способность к прорастанию. Они не становились вообще невсхожими, но для того, чтобы придать семенам готовность к прорастанию, нужно было вновь подвергать их стратификации при пониженных температурах. Общие условия и продолжительность необходимой повторной стратификации оказывались совершенно такими же, как и для первого применения этого приема. Поэтому можно сделать следующий существенный вывод из опытов Крокера: приобретение готовности к прорастанию семенами Xanthium pennsylvanicum основывается на результатах обратимого окислительно-восстановительного процесса.
Чрезвычайно интересно, что описанную операцию приведения семян Xanthium pennsylvanicum в состояние готовности к прорастанию стратификацией и снятие этого состояния при ухудшенной аэрации можно производить повторно несколько раз.
Надо указать, что использованный нами экспериментальный материал американских исследователей и в их собственных статьях и в изложении многих авторов фигурирует под заголовками «первичный и вторичный покой семян». Основываясь на данных по изучению прорастания трудно всхожих семян, мы трактуем проблему прохождения этапа развития, а не вопросы состояния покоя. Каковы же основания считать состоянием покоя изменения, при которых происходит чрезвычайно быстрое нарастание активности ферментов и приобретение способности зародыша к важнейшему акту в жизни семени — прорастанию?
Очевидно, эти основания заключаются лишь в чисто внешних, признаках жизнедеятельности организма. Если условиться считать покоем все процессы, прохождение которых не приводит к видимым новообразованиям органов, элементов клеточных структур и не сопровождается быстрым ходом некоторых процессов, как дыхание, поглощение воды, то можно говорить о «покое» семян. Но учет значения описанных нами процессов для последующего прорастания делает совершенно очевидной неправильность такой трактовки явлений. Все, что мы знаем по физиологии, развития растений, заставляет нас признать определяющее значение для прохождения-жизненного цикла организмом изменений, несказывающихся в новообразовании ни органов, ни клеток, ни их органоидов, В течение этих же важнейших периодов скорость хода многих физиологических процессов, связанных с превращением больших количеств углеводов и белков, оказывается сниженной. Однако имеются совершенно определенные данные о том, что в так называемые периоды покоя происходит интенсивная перестройка хромосомного аппарата клетки. Вместе с тем, очевидно, протекают и процессы превращения нуклеиновых кислот и нуклеопротеидов.
Эти несколько парадоксальные заключения, так сильно расходящиеся с представлением о жизни семян как о периоде покоя, заставляют сделать исследования М. С. Навашина и Е. Н. Герасимовой (1935). Занимаясь изучением возникновения мутаций у Crepis на громадном числе растений, Навашин обнаружил сильную зависимость процента мутантов от условий хранения семян. Проростки, полученные из семян, хранившихся лишь один осенне-зимний период, давали определенный процент растений с уклонениями от типичных картин хромосом в фазе экваториальной пластинки. Растения, выращенные из семян, хранившихся пять лет, давали уже больший процент мутантов. Но если семена хранились в пространстве со значительной относительной влажностью воздуха, то у 80% проростков обнаруживались мутационные отклонения от нормы. Таким образом, приходится заключить, что мнимый покой семян — период перестройки наиболее важных и наиболее устойчивых компонентов клеточных структур зародыша.