Азот — существеннейший фактор почвенного плодородия. Он входит в состав жизненно важных соединений — аминокислот, белков, нуклеиновых кислот.
Атмосфера Земли содержит колоссальное количество азота -79,2 процента, однако он недоступен для растений. Для растений важен не атмосферный азот, а содержащийся в почве. Между тем запасы доступных для растений форм азота даже в черноземных почвах не так велики, чтобы бесперебойно обеспечивать высокий урожай сельскохозяйственных культур [2].
В связи с остротой нитратной проблемы учёные ещё настойчивее изучают процессы естественной фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями, а также некоторыми свободноживущими микроорганизмами.
Из всех живых организмов только бактерии нескольких родов способны к фиксации атмосферного азота. Наиболее известные из них — это симбиотическая бактерия Rhizobium, которая образует клубеньки на корнях бобовых и некоторых других растений.
Клубеньковые бактерии снабжают бобовое растение азотом, который фиксируют из воздуха. Растение же, в свою очередь, поставляют бактериям продукты углеводного обмена и минеральные соли необходимые им для роста и развития [5].
Таким образом, бобовые растения и клубеньковые бактерии находятся в состоянии симбиоза [4].
В связи с вышеизложенным, нам показалось интересным проследить процесс образования симбиотических клубеньков на корнях люпина многолетнего perennis L. и на корнях люпина однолетнего albus L.
Цель: провести наблюдение за образованием симбиотических клубеньков на корнях двух видов люпина.
Задачи исследования:
1. Изучить литературу по теме исследования;
2. Разработать методику проведения эксперимента;
3. Выяснить, на каком этапе развития растения люпина многолетнего Lupinus perennis на его корнях появляются видимые симбиотические клубеньки;
4. Сделать наглядные пособия для уроков биологии.
Новизна работы: разработана и опробована методика наблюдения за образованием клубеньков на корнях многолетнего Lupinus perennis L.
Прикладное значение работы в том, что приготовленные препараты корней люпина используются как демонстративный материал на уроках ботаники.
Методы исследования:
Наблюдение;
Морфометрический анализ, фотофиксация морфометрических показателей;
В качестве объекта исследования выбрано растение люпина многолетнего Lupinus perennis и люпина однолетнего Lupinus albus.
Жизненная форма люпина — однолетняя и многолетняя трава [4]. Это позволило нам за сравнительно короткий срок (1–3 месяца) получить результаты эксперимента.
Для исключения влияния неблагоприятных условий, главным образом, погодных в период вегетации, семена однолетнего люпина мы посеяли в закрытом грунте, дома на балконе.
В качестве субстрата для выращивания люпина однолетнего мы взяли стерилизованную почву (повогрунт, прогретый в духовке). Использовали один большой контейнер. Для приближения к естественным условиям многолетний люпин посеяли в обычную почву на даче.
Семена перед посевом замочили в воде. Проклюнувшиеся семена посадили в грунт и полили. Через каждые 2 дня извлекали по одному растению, освобождали корни от частиц почвы и промывали водой.
Мы осматривали корни растений и фиксировали все изменения, происходящие в процессе эксперимента.
1 июня 2019г. мы замочили 15 семян белого однолетнего люпина и 15 семян многолетнего люпина.
Фаза наклёвывания произошла раньше, чем описывалось в прочитанной мной литературе — через 1–2 дня.
3 июня, через 2 суток появился главный корень у однолетнего люпина Lupinus albus, размер — 0,5 см.
У многолетнего люпина Lupinus perennis главный корень появился 4 июня, через 3 суток после начала эксперимента, размер — 0,3 см.
По литературным данным время от посева до появления проростков может достигать трех недель. [2]
3 июня в подготовленный прогретый в духовке грунт мы посеяли семена люпина однолетнего, а 4 июня в почву на даче посеяли семена люпина многолетнего.
У многолетнего люпина Lupinus perennis на 6 день эксперимента, 7 июня корень достигал 1 см.
Виды развиваются не одинаково, заметно опережение в развитии у однолетнего люпина. Это связано с разными факторами:
- с температурным режимом — дома колебания ночной и дневной температуры меньше (однолетний люпин), чем на даче (многолетний люпин)
- с величиной семени. Однолетний люпин содержит больше запасных веществ, т. к. его семя крупнее, чем у многолетнего;
На 10-й день у однолетнего люпина Lupinus albus главный корень достиг 5,5 см, появились боковые корни, их много от 5 мл до 1,2 см. проросток 4 см. Многолетний существенно меньше, главный корень 2,2 см, боковых корней мало около 3–4, проросток 1,5 см.
На этой стадии нет видимых изменений корневой системы, связанных с проникновением бактерий.
Согласно литературным данным бактерии рода Risobium начинают проникать в корни бобовых уже на стадии проростка [5].
Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня одинаков у всех видов бобовых растений и состоит из двух фаз. В первую фазу происходит инфицирование корневых волосков. Во вторую фазу интенсивно идет процесс образования клубеньков. [6].
На 16 день у однолетнего люпина Lupinus albusl и многолетнего люпина Lupinus perennis длина главного корня не изменилась, но появились новые боковые корни и увеличилась длина боковых корней. Клубеньков нет.
На 20 день 20 июня мы достали и промыли от земли однолетний люпин Lupinus albusl, клубеньков не обнаружено. Достали и промыли многолетний люпин Lupinus perennis. Главный корень достигает 4 см, боковой 4,5. На боковом корне хорошо видны вздутия — клубеньки.
При выращивании люпина было необходимо создавать условия, без которых невозможно образование клубеньков. Недостаток влаги приводит и к отмиранию уже сформировавшихся клубеньков. [3] И на даче почву и дома приходилось часто поливать, по мере высыхания почвы, но избыток воды уменьшают аэротацию почвы, а для размножения клубеньков бактерий необходим кислород [3].
Появление клубеньков у люпина многолетнего Lupinus perennis произошло на 20 день после посева семян. У однолетнего люпина Lupinus albus выращенного на почве, подверженной тепловой обработке в духовке, на 26 день клубеньков не обнаружено, несмотря на поддержание теплового и водного баланса. Возможно, это связано с тем, что мы прогрели почву в духовке при температуре выше 100С. Нам не удалось найти в литературных источниках информацию о действии высоких температур на бактерии рода Rizobium. Но у азотофиксирующих бактерий Azotobacter рода высокие температуры вызывают гибель не только вегетативных клеток, но и цист. [5]
У многолетнего люпина клубеньки были плотные на ощупь и имели светлую окраску.
К моменту образования плодов начался некроз клубеньков, они потемнели и стали более мягкие на ощупь. По литературным данным [3] некроз однолетних бобовых начинается в период массового цветения растений — хозяина. В нашем случае более позднее отмирание клубеньков связано с тем, что мы отмечали лишь видимое, заметные глазу процессы.
Люпин многолетний с клубеньками на корнях (фото автора). Люпин однолетний клубеньков на корнях нет (фото автора)
Выводы.
- Симбиотические клубеньки образовались на корнях у всех посаженных в открытом грунте растений люпина многолетнего (Lupinus perennis).
- Видимые клубеньки на корнях люпина появлялись через 20 дней после посева семян, а клубеньковые бактерии не появлялись на растениях, растущих на прогретой в духовке почве;
- Некроз клубеньков на корнях люпина многолетнего начался в период образования у люпинов бобов.
- На корнях люпина однолетнего не образовались клубеньки. Можно предположить, что прогревание почвы в духовке уничтожило вегетативные клетки и цисты Rizobium.
Проблемы сохранения почвенного плодородия одна из важнейших, ведь от нее напрямую зависит обеспечение людей пищей.
Попытки решить ее путем внесения химических удобрений имеет и негативные последствия. Неудивительно, что в странах с высокоразвитым земледелием обычно до 20–25 % окультуренной площади занято бобовыми растениями. При этом одновременно можно получить и ценный корм — зеленную массу растений и обогащение почвы азотом. Поэтому важен еще и просветительский аспект работы, связанный с необходимостью выращивания растений семейства Бобовых.
Литература:
- Артамонов В. И. Физиология растений. — Москва: ВО «Агропромиздат»,1991
- Васильев А. Е., Воронин Н. С., Еленевский А. Г. Ботаника. Морфология и анатомия растений. — Москва: Просвещение.1988
- Жизнь растений. В 6-ти т. Гл. ред.чл.-кор. АИ СССР, проф. АА Федоров Т1: Введение. Бактерии и актиномицеты. — М: Просвещение, 1974.
- Майсурян Н. А., АтабековаА. И. Люпин — М.: Колос, 1974
- Митустин Е. Н., Шильникова В. К. Биологическая фиксация атмосферного азота. — М.:Наука,1973
- Рейвн П., Эверт Р., Айкхорн.С Современная ботаника. — Москва: Мир. 1990.
- Жуковский П. М. К познанию рода Lupinu// Тр. По прикл.бот, гент, сел. 1929, Т21, вып 1
