КОБАЛЬТ
В 1735 г. шведский ученый Г. Брандт выделил из серебряной руды серый металл с розоватым оттенком — кобальт. Спустя более ста лет соединения этого элемента были обнаружены в растительных организмах. Несмотря на столь давнее открытие, предметом тщательного исследования в жизни растений кобальт по существу стал только в наше время. Первые систематизированные данные о нахождении кобальта в растениях опубликовал в 1922 г. академик В. И. Вернадский. В 1954 г. Холм- Хансен с сотрудниками установил необходимость кобальта для сине-зеленых водорослей. В целом ряде исследований показано положительное влияние кобальта на повышение урожая сельскохозяйственных культур: томатов, гороха, картофеля, сахарной свеклы, гречихи, ячменя и др. Отчетливо доказано влияние кобальта на ускорение развития растений, выработку в них засухоустойчивости, повышение темпов их роста, увеличение накопления сухой массы и, что не менее важно, улучшение качества сельскохозяйственной продукции (рис. 37).
Рис. 37. Влияние кобальта на засухоустойчивость овса:
В настоящее время кобальт найден во всех выcших и низших растениях. Среднее содержание кобальта в растениях колеблется и составляет 0,05—11,6 мг/кг сухого вещества. Из высших растений больше всего кобальта содержится в водных растениях, причем в пресноводных меньше, чем в морских. Болотные и прибрежные растения из-за дефицита кобальта в почвах наиболее бедны им, что приводит к эндемическим заболеваниям местного скота, пасущегося на этих почвах. Большое количество кобальта сосредоточено в бобовых растениях (особенно в клубеньках), что указывает на прямую связь этого элемента с процессами азотофиксации. Несколько меньше содержится кобальта в зерновых культурах. В листьях свеклы количество кобальта приближается к бобовым культурам.
Почвенные грибы среди других микроэлементов также используют для питания кобальт. Потребление кобальта из почв сахарной свеклой, бобовыми травами и зерновыми культурами (табл. 18) имеет несколько иные величины.
Таблица 18
|
Количество кобальта, содержащееся в сельскохозяйственных культурах и потребляемое ими из почвы
|
Из этих трех культур наибольшее количество кобальта потребляет сахарная свекла, наименьшее — зерновые культуры.
Бобовые травы занимают промежуточное положение. В целом потребление кобальта этими культурами колеблется от 0,8 до 3,0 г/га, т. е. почти в 4 раза.
У кобальта (в отличие от других микроэлементов) есть интересная особенность — накапливаться в растениях (в основном в бобовых) впрок, т. е. в большем количестве, чем это требуется для их нормального развития.
Отлагаясь в растениях, кобальт в неодинаковых количествах размещается в его органах. Для бобовых растений более значительная часть кобальта накапливается в корнях, а также наземных органах — в стеблях и листьях. Наименьшее количество кобальта сосредоточено в семенах растений.
При увеличении питательной дозы кобальта для растений возрастет содержание этого элемента и в отдельных их органах. Так, при возрастании дозы кобальта в питательной смеси с 0,01 до 0,1% количество кобальта в корнях и семенах бобовых культур увеличивается соответственно в 1,1 и 1,7 раза, а в листьях — почти в 3 раза. Однако такое распределение кобальта в органах растений не сохраняется для других культур. Например, у горчицы больше всего кобальта найдено в цветках, у проса — в стеблях, у овощных культур — в листьях. У сахарной свеклы, как и у бобовых, больше всего кобальта находится в мелких корешках. Содержание кобальта в органах растений не остается постоянным, а изменяется с возрастом, причем в корнях и листьях наблюдается уменьшение кобальта вследствие увеличения растительной массы, в которой и происходит как бы разбавление первоначальной концентрации кобальта.
Кобальт, концентрируясь больше в генеративных, чем в вегетативных органах, ускоряет прорастание пшеницы и, таким образом, подтверждает свое участие в процессах оплодотворения. В стимулирующем действии кобальта на развитие растений в настоящее время сомнений нет. Остается выяснить, в каких же формах и соединениях содержится кобальт в растениях. Надо сказать, что эти формы разнообразны. В растительных организмах кобальт содержится в ионной форме, в стабильных органических комплексах и в витамине B12, играющем важнейшую роль в процессах кроветворения живых организмов.
Кобальт, оказывая благотворное влияние на жизнедеятельность растений при повышенных дозах его применения, вызывает нарушение в снабжении элементами минерального питания растений, что приводит к их заболеванию — хлорозу. Хлороз от применения повышенных доз кобальта наблюдается у томатов, сахарной свеклы, картофеля, брюквы, бобовых культур и др. Сказанное отчетливо иллюстрируется таким примером. Были высеяны семена кормовых бобов, обработанные раствором сульфата кобальта различной концентрации (от 0,01- до 1,0-процентной). Наблюдение за всхожестью семян показало, что применение кобальта в ионной форме уже при концентрации кобальта 0,1 % оказывает заметное токсическое действие на растения. В этом случае количество растений, зараженных хлорозом, составляет 18% от общей всхожести кормовых бобов. При концентрации кобальта в 1 % количество таких больных растений достигает уже 50%, а всхожесть семян сокращается наполовину.
Происходят в бобовых культурах и качественные изменения: нарушается обмен веществ, почти в 3 раза сокращается количество хлорофилла, снижается темп роста растений и в конечном счете они погибают.
Мнения ученых по поводу рассмотренного явления хлороза разделились. Одни полагают, что это следствие торможения образования хлорофилла в условиях повышенной обеспеченности растений кобальтом, другие усматривают в нем быстрый окислительный распад самого хлорофилла. Считают также, что при кобальт-хлорозе в ущерб высокомолекулярным белкам и образующимся комплексам хлорофилла с белком могут происходить новые образования различных аномальных, низкотемпературных, биологически неактивных белков.
Физиологическую роль кобальта в жизни растений начали изучать только в течение последних 20—30 лет, так как долгое время существовало мнение о случайном присутствии этого элемента в растительных организмах. После того как выяснилось, что растения, обедненные содержанием кобальта, вызывают серьезные эпидемические заболевания сельскохозяйственных животных (овец, коров и др.), интерес к кобальту как к микроэлементу весьма возрос. Это сыграло значительную роль в развитии физиологических знаний об этом элементе.
В целом ряде работ было показано значение кобальта для повышения содержания хлорофилла в листьях. Предпосевная обработка семян растворами сульфата кобальта от 0,01- до 0,1-процентной концентрации стимулировала повышение содержания хлорофилла в листьях кормовых бобов во все фазы развития растения. Пик увеличения хлорофилла не сдвигался во времени, а только повышался по сравнению с контрольным результатом без дозировки кобальта примерно на 30% (рис. 38). Влияние кобальта на увеличение хлорофилла в листьях растений увязывается с возможностью возникновения устойчивых образований вообще всех металлов с хлорофиллом. Полагают, что при взаимодействии хлорофилла с кобальтом получаются комплексы, отличающиеся большей устойчивостью к различным реагентам, чем хлорофилл. Было также определено, что кобальт оказывает положительное действие на накопление хлорофилла в процессе зеленения ячменя, повышает устойчивость последнего к разрушению в темноте и увеличивает прочность комплекса хлорофилла с белком на свету. У кобальта была выявлена еще одна интересная особенность — это ускорение прохождения световой стадии, например, у длиннодневных растений овса. Была установлена зависимость между увеличением содержания хлорофилла в листьях растений под влиянием кобальта и повышением содержания сахаров, которые в свою очередь увеличивали процесс фотосинтеза.
Рис. 38. Влияние предпосевной обработки семян кормовых бобов раствором сульфата кобальта на содержание хлорофилла в листьях.
Данных об участии кобальта в нуклеиновом обмене и в биосинтезе белка накоплено немного. Тем не менее имеются сведения о повышении содержания белка под влиянием кобальта у бобовых и небобовых культур. При добавлении, например, кобальта в питательный раствор для овса было найдено в нем увеличение содержания белкового азота в 1,5 раза, а аминного в 4,0 раза по сравнению с контрольным образцом без кобальта. Основная физиолого-биохимическая роль кобальта, как и других микроэлементов, заключается в повышении активности различных ферментов, являющихся своеобразными катализаторами многих процессов в растительных организмах. Рассмотрим влияние кобальта на. активность некоторых уже известных нам ферментов.
Процесс восстановления в растениях нитратов до нитритов осуществляется с участием фермента нитратредуктазы. В настоящее время имеется целый ряд сведений о влиянии кобальта на активность нитратредуктазы. Например, применяя 0,01 % —0,1-процентные растворы сульфата кобальта, удалось соответственно повысить и понизить активность нитратредуктазы, причем увеличение активности фермента отмечено в утренние и дневные часы, в то время как в вечерние часы зафиксировано снижение его активности. Кобальт, как медь и молибден, оказывает определенное действие на активность гидрогеназы в клубеньках бобовых культур.
Гидрогеназа—это фермент, благодаря которому осуществляется активация водорода, играющего важную роль в процессах фиксации молекулярного азота всеми азотофиксирующими микроорганизмами. Активность гидрогеназы в клубеньках бобовых культур была показана сравнительно недавно, всего лишь 35 лет назад. Тогда это посчитали за парадоксальный факт, авторам не удалось подтвердить ими же полученные результаты. Позднее, примерно в середине 50-х годов, когда были разработаны более совершенные методы исследования, этими методами в клубеньках сои обнаружены спектральные пики в присутствии водорода, по которым можно судить об активности гидрогеназы. В 1957 г. было впервые получено прямое доказательство наличия гидрогеназы в целом клубеньке сои, выращенном в естественных условиях. Впоследствии выяснилось, что действие кобальта на активность гидрогеназы больше всего проявляется в бактероидах, чем в клубеньковой ткани бобовых культур. Эта разница оказалась значительной — почти в 14 раз.
Фиксация молекулярного азота и активация гидрогеназы больше всего проявляются именно в бактероидных бобовых культурах. Это, вероятно, не случайное совпадение, а скорее связывающее звено в общей схеме симбиотической азотофиксации. Однако много еще остается не ясным. И прежде всего то, что из клубеньков бобовых культур пока не выделены компоненты азотофиксирующих систем и не определено место участия гидрогеназы в симбиотической азотофиксации.
Итак, кобальт, повышая активность некоторых ферментов, играет важную общебиологическую роль в жизни растений. Одним из наиболее удивительных фактов является участие кобальта в витамине В12, находящемся в клубеньках бобовых культур (где осуществляется процесс симбиотической фиксации) и не обнаруженном в растениях. В 1961 г. Ахмед и Эванс нашли в клубеньках сои витамин В12 и показали, что его количество зависит от содержания кобальта в питательной среде. Это навело на мысль, что кобальт играет важную роль в обмене веществ клубеньков бобовых культур, связан с витамином В12 и симбиотической фиксацией азота.
Витамин В12 выполняет очень важные функции в животном организме, являясь мощным фактором кроветворения. Впервые открытый и выделенный Риксом в 1948 г. витамин B12 оказался кобальтпептидным комплексом, который содержит в своем центре 4,5% кобальта и имеет следующий элементарный состав: C63H97N14O20PC0. В природе биосинтез витамина B12 осуществляется только микроорганизмами и в значительных количествах витамин находится в почвах, богатых органическими веществами. Факты, подтверждающие влияние кобальта на азотофиксацию,— действие витамина В12 на этот процесс и большое количество кобальта, сосредоточенное в клубеньках бобовых культур.
Специфическое действие кобальта на азотофиксацию заключается в его участии в витамине B12 и в кобамидных коферментах (коэнзимах)—усложненной форме витамина B12. Сложные белки состоят из белка и небелковых компонентов — активной группы. Поскольку прочность этой группы с белком неодинакова, то она может отделяться от белковой части и вступать во временную связь с другими белками. Такие активные (простетические) группы и называют коферментами.
Теперь абсолютно ясно, что кобальт необходим для синтеза ряда кобамидных коэнзимов в клубеньках и: свободноживущих азотофиксирующих бактериях. Клубеньки различных бобовых культур содержат от 0,3 до 1,07 мг кобальта на 1 г сухого вещества клубенька. Установлено, что под влиянием кобальта значительно увеличивается интенсивность фиксации молекулярного азота в клубеньках бобовых культур. Положительное влияние кобамидных коэнзимов на азотофиксацию объясняется, видимо, их действием на биосинтез розового пигмента.
Н. Кубо своими исследованиями в 1939 г. показал, что корневые клубеньки бобовых растений содержат такой пигмент. По своим свойствам он оказался подобен гемоглобину крови животных и человека. В связи с этим пигмент называется легоглобином. Присутствие легоглобина в клубеньках бобовых культур, активно участвующих в азотофиксации, привело к мысли о возможном участии этого пигмента в процессах фиксации атмосферного азота.
В середине 50-х и начале 60-х годов (1954—1960 гг.) появились работы, показавшие влияние кобальта на увеличение содержания легоглобина в клубеньках бобовых растений. Например, при дозировке кобальта в питательной среде с недостатком этого элемента наблюдалось увеличение концентрации легоглобина в клубеньках и усиление роста люпина в условиях длинного дня, однако такого влияния на образование клубеньков и содержание пигмента не было обнаружено в условиях недостатка углеводов при коротком световом дне.
Можно предполагать, что молекулярный азот способен образовывать устойчивые комплексы с легоглобином, который в свою очередь принимает косвенное участие в активации молекулярного азота. Не исключено также, что функции этого пигмента в клубеньках связаны с биохимическим механизмом, обеспечивающим приток кислорода, необходимого для дыхания клубеньковых бактерий и для выработки АТФ (аденозинтрифосфата)—источника энергии. Возможно, что легоглобин участвует также в другом биохимическом механизме, защищающем всю азотоактивирующую систему бактероидов от избытка кислорода. Как видим, роль кобальта в процессах азотофиксации очевидна.
Мы рассмотрели микроэлементы, которые необходимы для нормального роста и развития растений и имеют важное значение в практике сельского хозяйства.
Кроме них, известно много элементов (никель, ванадий, литий, рубидий, иод и др.), которые по своим свойствам и воздействию на растения близки к микроэлементам, перечисленным в данной главе. Но эти элементы мало изучены, поэтому они не нашли применения.
