Введение к работе
Актуальность проблемы. В решении задач, выдвинутых XXVI съездом КПСС, предусмотрено выполнение продовольственной программы, всемерное развитие агропромышленного комплекса, увеличение производства сельскохозяйственной продукции, в частности, зерна и кормов.
Одним из основных показателей пищевой и кормовой ценности сельскохозяйственных культур является содержание в них белка. Продуктивность растении и накопление в них белка определяются, прежде всего, их углеродным и азотным питанием.
Азотное питание как физиологический процесс проявляет себя на различных уровнях структурной и функциональной организации растений. Каждый последующий, более сложный уровень в ряду клетки — ткани — органы — организм, наряду с появлением новых особенностей, включает в себя специфику предшествующего уровня. При этом необходимо учитывать, что в отличие от углерода ассимиляция минерального азота протекает как в автотрофних (Ннчнпорович, 1962; Андреева, 1968; Bassham et al., 1964), так и гетеротрофных (Сабинин, 1949; Кирсанов, I960; Bollard, 1960; Mothes, 1966) органах растении. Поэтому изучение усвоения азота растением должно проводиться с учетом метаболических особенностей н взаимодействия различных органов, а также составляющих их тканей и клеток. Только комплексный подход, выявляющий особенности структурно-функциональной дифференциации и интеграции процессов с участием микро- н макроструктур, связанных общей функцией, позволяет понять роль физиологической целостности растительного организма. Таким образом, изучение функциональной роли пространственной организации азотного обмена и особенностей его взаимодействия с углеводным обменом следует рассматривать как ключевую позицию в понимании природы одного из основных физиологических процессов растении — их азотного питания.
В связи с этим при решении проблемы азотного питания растений нами использован новый подход—изучение пространственной организации метаболизма как этапа на пути перехода от исследования отдельных процессов к становлению комплексной, «синтетической» физиологии целого растения.
Цель и основные задачи работы состояли в изучении специфики азотного обмена, его компартменташш на различных уровнях структурной организации растений. При этом имелось в виду:
-
Выяснение органной топографии и регуляции активности ключевых ферментов, ответственных за ассимиляцию нитратного и аммонийного азота, в системе целостного растительного организма.
-
Изучение тканевых взаимодействий в различных органах растений:
а) корнях, первыми вступающих в контакт с минеральным
азотом п осуществляющих его переработку;
б) гнпокотнлях, мезокотилях и стеблях, в связи с выявле
нием у них функций, направленных на превращение метабо
литов в путях дальнего транспорта, создание резервных фон
дов азотсодержащих веществ, их распределение и перераспре
деление при взаимодействии корней и листьев,
3. Выяснение закономерностей формирования и функцио
нирования в растительной клетке общего метаболического
фонда аминокислот и амидов, а также фондов отдельных азот
содержащих соединений, находящихся на центральных развил
ках метаболических процессов.
На основе полученных результатов и литературных данных делается попытка раскрыть обобщенную картину пространственной организации азотного обмена у растений, а также основные принципы ее построения.
Научная новизна. Работа является трудом, подводящим итог научных изысканий в области структурно-функциональной организации азотного обмена растений и открывающим конкретные перспективы дальнейших исследований в этом направлении. На основе собственных и литературных данных раскрыта обобщенная картина азотного обмена на различных уровнях структурной организации растений — клеточном, тканевом и органном, а также выявлены основные принципы интеграции этих уровнен при обеспечении азотного питания растений.
Проведенные исследования позволили в системе целостного^ растительного организма выявить основные закономерности органного распределения ключевых ферментов, обеспечивающих ассимиляцию нитратного и аммонийного азота, и их ре-гуляцию.
Впервые экспериментально обоснованы представления об-ассимиляции н транспорте азота как пространственно организованном процессе, осуществляемом в корне при взаимодействии двух его основных тканевых зон — коры и центрального цилиндра. Вскрыта специфика и взаимодействие обменных процессов в тканях корня при осуществлении процессов дыха-2
ния, биосинтеза полисахаридов и белка, а также ассимиляции минерального азота. Проведенные исследования открывают новые подходы в управлении процессом азотного питания корневой системы, а следовательно, и всего растения.
Полученные в работе результаты коренным образом изменяют прежние представления о роли осевых непоглощаюишх органов—гнпокотилей, мезокотилей и стеблей в азотном питании растений на основе их тканевых взаимодействий. Установлено, что уже на ранних этапах развития растений в этих органах происходит переработка транспортных углеродсодер-жащнх соединений, резервирование растворимых органических источников азота, их распределение и перераспределение между главными полюсами ассимиляции — корнями и листьями. На основе этих данных делается вывод, что осевые непоглощающне органы наряду с корнями и листьями являются важным звеном в жизнедеятельности растений, определяющим особенности их азотного питания.
Проведенные исследования позволили выявить основные закономерности формирования обшего метаболического фонда аминокислот и амидов в гетеротрофной растительной клетке и показать ведущую роль в этом процессе направленности путей утилизации углерода сахарозы, Индивидуальные аминокислоты этого фонда не в одинаковой мере формируются из различных источников углерода — Сахаров и аминокислот. Степень обеспеченности клеток сахарозой влияет на альтернативный выбор путей утилизации ее углерода в азотном обмене. Установлена пространственная разобщенность и функциональная гетерогенность в клетках корней фондов днкарбоно-вых аминокислот — соединений, интегрирующих различные звенья обменных процессов. Результаты исследований в этом направлении можно принять в качестве исходной позиции для дальнейшего изучения и понимания регуляции азотного обмена посредством компартментацин азотсодержащих субстратов в растительной клетке.
Совокупность экспериментальных изыскании н теоретических обобщений автора позволяют создать перспективу исследований в области структурно-функциональной организации азотного питания растений.
Практическая значимость работы состоит в расширении и углублении представлений о природе основного процесса, определяющего продуктивность растений — азотного питания. На этой основе становится возможным применение полученных результатов в практике. Они относятся, прежде всего, к биотехнологнческнм вопросам физиологии и биохимии растительной клетки при продуцировании азотсодержащих соединений. Еще более реальным представляется получение радно-
активных иС-амннок»слот и иС-амидов с высоким значением удельной радиоактивности.
Выявленные закономерности органной и тканевой топографии ферментов азотного обмена и азотсодержащих субстратов дают возможность для разработки биохимических показателей— тестов в оценке оптимизации обеспеченности растений азотом. Благодаря этому создаются предпосылки для научно обоснованного применения различных форм минеральных удобрений с целью повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались па II Всесоюзной конференции по культуре тканей и клеток растений (Киев, 1971), Международном симпозиуме по культуре тканей и клеток растений в Дели (1971 г.), XII Международном Ботаническом конгрессе (Ленинград, 1975), Всесоюзном биохимическом съезде (Ленинград, 1979), Всесоюзной школе ио физиологии растений (Звенигород, 1980), Московском биохимическом обществе (Москва, 1980), Всесоюзном симпозиуме «Механизмы усвоения азота и биосинтеза белка в растениях» (Ллма-Лта, 1981).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и выводов, изложена на Зоо страницах.