Введение к работе
Актуальность проблемы. Анализируя эффективность передового земледелия, можно бесспорно утверждать, что, несмотря на успехи, достигнутые в последние десятилетия селекцией, генетикой, биотехнологией, химической защитой растений и другими биологическими науками, ведущая роль в повышении продуктивности земледелия и . сохранении плодородия сельскохозяйственных почв принадлежит применению минеральных удобрений.
Важнейшими для большинства стран, в том числе и России, несомненно, яв
ляются азотные удобрения. Вывод Д.Н.Прянишникова, о том «что главным уело- .
вием, определяющим высоту урожаев в различные эпохи, была степень обеспечен
ности сельскохозяйственных растений азотом», не потерял своей актуальности ив
третьем тысячелетии. С другой стороны, нерациональное применение азотных *
удобрений может привести к снижению их агрохимической и физиологической эф
фективности, а также к негативным экологическим последствиям. Установленные в
классических исследованиях Д.НЛрянишникова, ДА.Сабиника и других исследо
вателей первой половины XX века закономерности поглощения различными расте
ниями аммонийной и нитратной форм азота в настоящее время успешно уточ-'
няются и дополняются, в связи с использованием в исследованиях по агрохимии "
азота метода изотопной индикации (Ф.ВЛ^грчин, ПМ.Смирнов, ИА.Сапожников,
Д-А.Кореньков, ГЛЬГамзиков, Э-А. Муравин, ЛЛВоллейдт, В Л-Кудеяров,
В.В.Кидин и другие). ' ' *
' Однако подавляющая часть проведенных исследований с меченными по азоту
соединениями, как в нашей стране, так и за рубежом, была посвящена установле
нию конечных коэффициентов использования растениями вносимого азота, а также
процессам его трансформации в почве, в то время как работ по выявлению путей
ассимиляции поглощенного l5N в самих растениях, было проведено неоправданно
мало.- " -': ;'''- : v v . .---.:.->
Для научно обоснованного выбора форм азотных удобрений, а также сроков и способов их внесения, безусловно, необходимым является углубленное и всестороннее исследование с помощью современных методических подходов скорости поступления в растения двух основных форм азота — аммония и нитрата, а также путей их ассимиляции в растительных тканях, в зависимости от различных условий применения. В связи с этим, несомненный научный и практический интерес представляет установление роли микроэлементов в выше обозначенных процессах, так как нарушения в обеспеченности ими выращиваемых культур часто не дают возможности проявиться всей потенциальной эффективности азотных удобрений.'
Важным аспектом данной проблемы является оптимизация азотного питания бобовых культур, в первую очередь в плане создания благоприятных условий для симбиотической азотфиксации, в процессе которой существенная роль принадлежит наличию миинерального азота и микроэлементов. В последние годы, в связи с
ЦЕНТР;\ГЬ"ЛЛ
НАУЧ -/.ІІ I. ЗЛ"0ТЕЧА
1.. f/оск.ссг..с-'.зл-.з гч:,гс:.'ии
им К. А. "іл.'.ь С,"3Ч її
происходящим глобальным потеплением и аридизацией климата на нашей планете, все большее практическое значение приобретает поиск путей повышения устойчивости растений к неблагоприятным условиям увлажнения. Одним из возможных способов повышения засухоустойчивости растений также является применение соответствующих микроэлементов
Цель и задачи исследований Цель настоящих исследований заключалась в установлении на современном методическом уровне закономерностей поглощения и последующей ассимиляции аммония и нитрата, поступающих в растения и выявлении роли микроэлементов в этик процессах, что послужило бы основанием для оптимизации азотного питания различных видов сельскохозяйственных культур и повышения эффективности азотных и микроудобрений.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи
Изучить динамику поглощения растениями аммонийного и нитратного азота
при одновременном их внесении в виде корневых и некорневых подкормок раз
дельно меченой аммиачной селитрой при различной обеспеченности их микро
элементами.
Выяснить скорость и пути первичной ассимиляции различными растениями аммонийной и нитратной форм азота при корневом и некорневом поглощении и установить влияние микроэлементов на распределение поступившего меченого азота по формам небелковых соединений растений.
Доказать в строго контролируемых условиях с помощью меченных ,5N соединений возможность процесса эндогенного образования нитратов в тканях высших растений за счет окисления восстановленных форм азота.
Исследовать сравнительное использование поглощенных различными растениями восстановленной и окисленной форм азота на синтез белков вегетативных и репродуктивных органов и изучить влияние на данные процессы отдельных микроэлементов
Установить распределение включенного в состав белков различных культур экзогенного азота подкормок по отдельным белковым фракциям в зависимости от формы усвоенного азота, способа его внесения и применения микроудобре-кий.
Изучить влияние молибдена и других микроэлементов на продуктивность растений и конечные коэффициенты использования ими вносимого азота, а также показатели баланса в почве аммонийного и нитратного азота удобрений в зависимости от условий их применения.
Оценить размеры симбиотрофно и автотрофно усвоенного азота бобовыми культурами в зависимости от уровня их обеспеченности связанным азотом и микроэлементами.
Исследовать влияние обеспеченности растений минеральным азотом и микроэлементами на их устойчивость к засухе и избыточному увлажнению
Научная новизна. Новым явилось то, что впервые методом изотопной индикации (,5N) изучены особенности одновременного поглощения различными видами растений аммонийного и нитратного азота, а также их дальнейшей ассимиляции, то есть распределения усвоенных форм азота по небелковым соединениям, вхождения их в состав белка и отдельных его фракций в зависимости от различных факторов, в том числе от обеспеченности растений микроэлементами.
Показана способность всех опытных растений в условиях одновременного
внесения в питательную среду аммонийного и нитратного азота за счет избиратель
ного корневого поглощения со временем перейти на преимущественное питание
нитратной формой азота. Причем время перехода отдельных культур на предпочти
тельное поглощение нитратов различается и зависит от количества поступающего
азота на единицу их биомассы. " ;
Впервые с использованием стабильного изотопа азота (15N) было продемонстрировано явление прямого окисления поступившего в растения аммонийного азота до нитратов. На основании результатов стерильных опытов и экспериментов с культурами тканей различных растений с привлечением разработанных нами оригинальных методических подходов (защищенных 5-ю авторскими свидетельствами на изобретения) была доказана способность высших растений к эндогенному образованию нитратов из восстановленных форм азота.' ~ * v
Впервые было показано, что процесс распределения усвоенного меченого азота по отдельным группам белков происходит довольно неравномерно и не зависит от формы азота, способа его внесения и применения молибдена, а определяется общей направленностью синтетических процессов, регулируемых генетически.
Обладают новизной полученные с помощью '^М данные об ингибировании процесса ассимиляции поступающих в растения нитратов в результате нарушения их оптимальной обеспеченности микроэлементами, вследствие чего поглощенный нитратный азот накапливается в растительных тканях в повышенных количествах.
На основании результатов, полученных с использованием соединений, обо
гащенных изотопом 'т^, впервые установлено влияние молибдена на количествен
ные показатели баланса в почве и процессы ассимиляции поглощенного'аммоний
ного и нитратного азота при одновременном их потреблении различными культу
рами. Доказано, что молибден и ряд других микроэлементов влияют не только на
первичную ассимиляцию окисленного (нитратного) азота, но и обладают более ши
роким спектром физиологического влияния на процессы метаболизма азота в расте
ниях. -..".' ' ', '..'. - ,):'..«-'-' і .-
- Впервые в полевых условиях на серых лесных почвах различной степени
окультуренности с помощью соединений, обогащенных стабильным изотопом I5N,
определены размеры использования зернобобовыми культурами азота из удобре
ний, почвы и атмосферы, а также влияние на эти показатели различных норм внесе
ния азотных удобрений. ...-..-,-
Обладают научной новизной экспериментальные данные, показывающие повышение засухоустойчивости растений под влиянием предпосевной обработки се-» мян различными микроэлементами, в том числе селеном Впервые также были получены данные по влиянию искусственной почвенной засухи на использование растениями меченого азота удобрений, а также азота почвы и роли микроэлементов в данных процессах.
Теоретическая значимость работы: Основные положения диссертации позволяют расширить наши представления об азотном питании растений и показывают пути повышения агрохимической и физиологической эффективности вносимых азотных удобрений, а также демонстрируют новые стороны азотного обмена растений.
-
Методом изотопной индикации установлено, что при наличии в среде одновременно ионов аммония и нитрата (NHtNOj) время перехода растений от преимущественного усвоения аммония к лучшему использованию нитрата зависит от вида растений, а конкретно от интенсивности поступления экзогенного азота на единицу сухого вещества данной культуры.
-
Метод изотопной индикации позволил выяснить существенные различия не только в скорости и динамике поглощения растениями восстановленной и окисленной формы азота, но и в путях их первичной ассимиляции, а также в интенсивности включения в состав белков различных культур В то же время показано, что распределение усвоенного экзогенного азота по отдельным группам белков растений не зависит от его формы, путей поступления и обеспеченности микроэлементами, то есть детерминируется на генетическом уровне.
-
Обнаруженное и доказанное явление окисления восстановленных соединений азота в растительных тканях до нитрата («дередукция») приобретает теоретическую значимость для построения общих закономерностей азотного обмена растений, так как, постулирует существование замкнутого цикла взаимопревращений азота не только в системе «почва - атмосфера», но и внутри самих растений, подтверждая то, что цикличность многих обменных процессов является важнейшим свойством живых организмов и указывает на более тесную эволюционную связь азотного обмена высших растений и микроорганизмов.
-
Показанное влияние на процессы ассимиляции растениями не только вносимого нитратного, но и аммонийного азота, указывает на более широкий спектр физиологического действия молибдена в растениях, которое не ограничивается его участием в процессах азотфиксации и редукции нитратов
-
Развито представление об определяющем влиянии уровня связанного азота в среде на использование бобовыми культурами этого элемента из различных источников: атмосферы, почвы и удобрения. Степень влияния минерального азота на азотное питание и продуктивность различных бобовых культур зависит от их биологических особенностей
Практическая значимость работы. Результаты и выводы, представленные в диссертации, могут послужить* научной основой для разработки следующих практических рекомендаций: ;' :" '
Установленные с помощью метода изотопной индикации закономерности поглощения и дальнейшей ассимиляций различными сельскохозяйственными культурами аммонийного и нитратного азота в зависимости от доз, сроков и способов их внесения и применения микроэлементов позволяют научно обосновать производство и применение новых видов азотных удобрений (с добавками микроэлементов), а также оптимизировать выбор форм, времени и способов внесения минерального азота.' ;.''"-' ..".-'- г '
Выявленные функциональные особенности микроэлементов в азотном питании растений, в частности, их влияние на итоговые размеры потребления и интенсивность использования'в биосинтетических процессах поступившего в растения' азота дает основание рекомендовать применение' соответствующих микроэлементов с целью повышения агрохимической и особенно физиологической эффективности азотных удобрений ; и! снижения' возможных негативных экологических последствий (накопление поглощенных, но не усвоенных нитратов).
На основании результатов исследований сделан вывод об особой роли микроэлементов (молибдена, цинка и селена), как фактора, снижающего негативное влияние на растения водных стрессов, нарастающих в процессе глобального потепления и аридизации климата, которое наблюдается в настоящее время на планете.
Результаты, полученные с помощью 15N, позволили количественно оценить размеры усвоения азота бобовыми культурами из различных источников: атмосферы, почвы и минеральных азотных удобрений. Для серых лесных почв Орловской области установлены оптимальные дозы' минерального азота под отдельные зернобобовые культуры, повышающие их продуктивность и не снижающие размеры симбиотической фиксации азота атмосферы.
Основные выводы диссертационной работы нашли отражение в учебниках и
учебных пособиях и используются в учебном процессе при подготовке студентов
факультета почвоведения, агрохимии и экологии в МСХА им. К А.Тимирязева.
> . Основные положения работы, выносимые на зашиту. На защиту выносит
ся концепция о существенных различиях в динамике поглощения и путях дальней
шей ассимиляции растениями двух основных форм азота — аммония и нитрата и
важной роли микроэлементов в этих процессах, которая включает следующие по
ложения: - -. ': о-1 .. .-' : >''
1 ; Преимущественное использование растениями аммонийного или нит-> ратного азота удобрений зависит от способов их применения: при допосевном . внесении и некорневых подкормках потребление этих форм азота практически одинаково, в то время как при корневых подкормках скорость и полнота поглощения нитратной формы азота определяются подвижностью данных ионов и зависят от особенностей питательной среды.
При одновременном внесении в инертную питательную среду (песчаные культуры) аммонийного и нитратного азота растения с большей скоростью поглощают восстановленную (аммонийную) форму азота, затем интенсивность поступления аммонийного и нитратного азота выравнивается, а в последующем все опытные культуры переходят на предпочтительное поглощение окисленной (нитратной) формы азота. Скорость перехода на преимущественное потребление азота нитратов различается у отдельных культур и зависит от интенсивности поглощения растениями азота на единицу своей биомассы.
Потребленный аммонийный азот в первые часы посте корневых и некорневых подкормок быстрее оттекает в репродуктивные органы растений и интенсивнее используется на синтез различных органических соединений. При ассимиляции растениями азота поглощенного аммония существенную роль играет образование амидов, при этом заметно тормозится усвоение одновременно поступающих нитратов, в дальнейшем по мере увеличения экспозиции, ассимиляция азота поглощенных нитратов возрастает.
В процессе метаболизма поглощенного аммонийного азота в растительных тканях происходит его эндогенное окисление до нитратов Биологическая целесообразность окисления в растениях восстановленных форм азота, вероятно, связана с процессами его детоксикации, так как при этом аммонийная форма азота переходит в легко запасаемую и транспортируемую нитратную форму.
Относительное распределение усвоенного азота подкормок по отдельным группам белков растений не зависит от его формы, способа поглощения (через тистья или корни) и наличия микроэлементов и определяется общей направленностью синтетических процессов в растениях
Применение микроэлементов с начала вегетации или за сутки до азотной подкормки существенно влияет на первичную и последующую ассимиляцию растениями как аммонийного, так и особенно нитратного азота. Нарушение питания растений микроэпементами (их дефицит и избыток) наиболее заметно снижает редукцию азота поступивших нитратов и включение вновь синтезированных в процессе усвоения азота подкормки аминокислот в состав белков.
При приближении сроков внесения азотных удобрений к периоду интенсивного потребления азота сельскохозяйственными растениями возрастает скорость поглощения ими аммонийного и нитратного азота подкормок и значительно увеличиваются конечные коэффициенты использования вносимого азота. При проведении подкормок на более поздних стадиях онтогенеза заметно снижаются продуктивность и размеры их использования растениями. Применение молибдена и известкование почвы повышают урожай различных сельскохозяйственных культур не только за счет увеличения реальных коэффици-
': ентов использования аммонийного и нитратного азота минеральных удобрений и азота почвы, но также и за счет снижения . непроизводительных потерь вносимого азота.
Наличие в питательной среде минерального'азота является главным
фактором, определяющим тип азотного питания и конечную продуктивность
бобовых растений, причем размеры потребления азота из различных источни
ков и чувствительность азотфиксирующей системы отдельных зернобобовых
. культур к наличию связанного азота существенно различаются. ...;
Обеспеченность растений азотом и отдельными микроэлементами во
многом определяет степень их устойчивости к стрессам, вызванным неблаго
приятными условиями увлажнения (засуха и избыток влаги). .
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всесоюзных совещаниях и научных конференциях по микроэлементам (Рига, 1975; Ивано-Франковск, 1978; Кишинев, 1983; Чебоксары, 1985; Самарканд, 1990); Всесоюзных совещаниях по применению 15N в исследованиях по земледелию и агрохимии (Ташкент,' 1974; Тбилиси, 1979; Москва, 1980; Новосибирск, 1988);'Всесоюзных конференциях по сельскохозяйственной радиологии (Обнинск, 1979; 1982; 1984); на Всесоюзном симпозиуме по механизму усвоения азота и биосинтеза белка в растениях (Алма-Ата, 1981); на Всесоюзной конференции молодых ученых (Ма-харадзе-Анасеули, 1985); на Всесоюзных совещаниях по балансу, агрономическим и экологическим проблемам азота в земледелии (Пущино, 1982; 1988; 1989; 1990; Новосибирск, 1990); на Всесоюзном съезде общества почвоведов (Ташкент,' 1985); на 2-ом съезде Российского общества физиологов растений (Ленинград, 1991); на Международном XII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Баку, 1981); в университете им. Гумбольта (Берлин, 1983); на Международной конференции «Физиология растений - наука Ш тысячелетия» (Москва, 2000); на отраслевых совещаниях и научных конференциях МСХА.
' Публикации. По теме диссертации автором лично и в соавторстве опубли
ковано 67 печатных работ, в том числе получено 5 авторских свидетельств на изо
бретения. " -"*'*" і
- , Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 310 страницах машинописного текста, содержит 79 таблиц и 42 рисунка. Список использованной литературы включает 530 источников, в том числе 250 иностранных авторов. В приложениях размещены 14 таблиц.
s Автор глубоко признателен ' своим - учителям академику РАСХН Б-А-Ягодину, профессорам Б.П.Плешкову и Э-АЛтуравину и искренне благодарен принимавшим участие в совместной работе в разные годы аспирантам: ІССинху, САюбо, . Т.АДемьяновой, ИЛАЇалаховой, ИА.Савндову, Т.АДиановой, И.3ахурулу, И.И.Серегиной, а также сотрудникам кафедры агрономической и
биологической химии и других кафедр МСХА за оказанную помощь в решении отдельных вопросов диссертационной работы