Географические факторы
Имеются и другие примеры большого влияния окружающей среды на семена в период их формирования. В частности, географическое положение семенных посевов может оказывать влияние на состав семян и, следовательно, на их силу. По данным Маршалла, в некоторых районах в эндосперме спелых зерен овса устойчиво поддерживается достаточно высокое отношение фосфора и калия к азоту, что обеспечивает холодостойкость развивающихся всходов, тогда как в других районах подобное явление не наблюдается. Поллок и Тул в опытах с лимской фасолью получили аналогичные результаты. Галашалова и Марусина установили, что урожайность пшеницы в северных районах Сибири меньше, чем выращенной в южных районах. К моменту, когда обе группы растений достигают наивысшей, доступной им степени зрелости, пшеница из южных районов отличается более высокой концентрацией питательных веществ. Помимо влияния на всхожесть или на нормальное развитие проростков, пересушивание увеличивает время прорастания. Следует отметить, что в экстремальных случаях оно вызывает у появившихся проростков аномалии, которые неотличимы от аномалий, вызываемых хранением в чрезмерно-влажных условиях это свидетельствует о том, что деятельность, микроорганизмов не является главной причиной порчи семян в условиях влажного хранения. Как было показано на семенах сорго, осторожное увлажнение семян перед проращиванием даже после нескольких лет хранения может аннулировать вред, нанесенный пересушиванием. Значение начальных фаз прорастания Эффективность процессов, характеризующих начальные фазы про- -растения, в значительной мере определяет состояние и эффективность формирующихся проростков. Поскольку живые и мертвые семена на ранних стадиях набухания, по-видимому, всасывают воду с одинаковой скоростью, начальные фазы прорастания нередко считают чисто пассивными и предшествующими любой физиологической активности. Однако имеются данные, свидетельствующие об огромном влиянии окружающей среды на самое начало процесса набухания. Поразительные примеры приводятся в работах Поллока и Тула, Вудстока и Поллока, проведенных на семенах лимской фасоли. Эти семена на самых ранних стадиях вторичного увлажнения чувствительны к охлаждению. Даже если в дальнейшем температура будет благоприятной, выдерживание семян в течение первого часа набухания при температуре 15°С или ниже приводит впоследствии к значительному снижению интенсивности дыхания зародышевых осей и скорости роста проростков. Вудсток и Поллок пришли к выводу, что ранние фазы процесса набухания имеют решающее значение, поскольку в это время дыхание должно быть достаточно интенсивным, чтобы обеспечить необходимое количество энергии для нормального повторного увлажнения и растяжения мембран в зародышевой оси. Анаэробные условия на этих критических этапах влекут за собой необратимые повреждения мембран и, следовательно, ухудшение роста проростков и нападение микроорганизмов, которых привлекают вещества, просачивающиеся сквозь мембраны. Ссылаясь на классическую работу Кидда и Веста, Вудсток и Поллок приходят к выводу, что их собственные результаты являются примером физиологического предопределения. Но как их предопределяющие обработки, так и описанные Хайкиным и Лангом и Дюраном, которые изучали влияние истории родительского поколения, оказывали вредное воздействие. В этом случае предопределение фактически сводилось к предварительному ухудшению: физиологический потенциал семян каким-то образом снижался в самом начале. И наоборот, Поллок и Тул установили, что если в самом начале прорастания температура была достаточно высока, проростки лимской фасоли в дальнейшем становились более устойчивыми к охлаждению. Сходным образом Орфанос и Хайдекер установили, что если начальный период протекает в аэробных условиях, то такое воздействие иногда может предохранить семена фасоли от неизбежных повреждений при замачивании, к которым они, как известно, чрезвычайно чувствительны. Проявление и определение силы семян Нередко предполагают, что лабораторная всхожесть партий семян точно соответствует их поведению в полевых условиях. Действительно, существует довольно хорошая корреляция между приспособленностью семян к внешним условиям и их всхожестью. Тем не менее в пределах одного сорта приживаемость проростков из различных партий семян, характеризующихся сходной лабораторной всхожестью, часто бывает неодинаковой. В связи с этим ведутся поиски таких методов определения силы семян, которые не столько предсказывали бы фактическую приживаемость в полевых условиях, но давали бы более верную оценку относительной способности различных партий семян приживаться в полевых условиях. Вообще говоря, из семян партии, характеризующихся лучшей приживаемостью, будут образовываться растения, которые лучше растут и дадут затем более высокие урожаи: первоначальная сила семян сохраняется.
Иногда говорят, что сильные семена физиологически молоды. Неправильные условия хранения могут быть причиной чрезвычайно быстрого старения даже хронологически молодых семян. Согласно Грабе, который ссылается на Зелени, при старении семян во время хранения в них происходит целый ряд вредных физиологических изменений), в результате которых возрастает восприимчивость к возбудителям гнилей семян, а скорость прорастания и роста проростков снижается; но что особенно важно — схожесть начинает снижаться лишь после того, как все эти изменения в какой-то степени осуществятся. Таким образом, согласно Грабе и Делушу, Рашингу и Баокину, ухудшение качества семян обычно проявляется в обратной последовательности: сначала снижается урожайность, затем рост и способность семян создавать стеблестой в поле и в последнюю очередь всхожесть. Следовательно, ухудшение качества семян может наступить гораздо раньше, чем его удастся распознать по результатам стандартных испытаний всхожести или даже модифицированного метода определения всхожести в стрессовых условиях окружающей среды. Однако эти данные противоречат результатам опытов Абдаллы и Робертса с горохом, бобами и ячменем, согласно правилом которым снижение урожайности будет незначительным, пока ухудшение семян не найдет отражения в некоторой потере всхожести. Кроме того, в их опытах уменьшение скорости роста проростков предшествовало заметному снижению урожайности.
Скорость прорастания
Сильные семена, за исключением тех, которые находятся в состоянии покоя, должны прорастать быстро; но условия семенного ложа могут не допустить прорастания сразу после посева, и в этом случае сильное семя способно пережить период неблагоприятных условий, а затем образовать сильный и здоровый проросток и дать хороший урожай. Однако даже в благоприятных условиях быстрота прорастания не всегда является существенным компонентом силы проростка. Например, очень хорошо вызревшие семена могут набухать, а следовательно, прорастать медленнее, чем остальные. Кроме того, патогены, передающиеся с семенами, иногда могут стимулировать их более раннее по сравнению со здоровыми прорастание. И, наконец, семена могут прорастать медленно потому, что частично еще находятся в состоянии покоя. По этим и другим возможным причинам термин «энергия прорастания» полностью исчез из словаря семеноводов. Однако в течение короткого периода времени, конец которому был положен лобовой атакой Верхея т этот термин имел определенное значение времени до прорастания, или вернее процента семян исследуемого вида, способных прорасти в течение короткого времени с начала испытания всхожести в лаборатории. И действительно, при сравнении характеристики прорастания партии семян с ее собственной характеристикой, полученной на более ранней стадии в идентичных условиях среды, задержка прорастания и часто также более сильное рассеивание-сроков прорастания отдельных семян являются выражением ухудшения качества семян, которое легко определить. Делуш, установивший, что скорость прорастания снижается значительно раньше, чем всхожесть, пытается восстановить значение термина «скорость прорастания» в качестве обоснованного параметра. Наряду с этим Броневсский обнаружил, что интенсивность клеточного деления на ранней фазе прорастания снижается гораздо раньше, чем всхожесть. Ванджура, Хадспет и Билбро, а также Уолли, Мак-Келл и Грин и Делуш подчеркивают, что этот термин связан с ранним появлением всходов на почве. По их данным, оно в гораздо большей мере зависит от качества семян, чем от глубины посева, и что конечный урожай лучше коррелирует с ранним появлением всходов, чем с большинством остальных параметров. Были предприняты попытки выразить скорость и процент прорастания в виде одного комбинированного цифрового показателя, но они не имели успеха. Следует отметить, что для агрономических целей логический мостик между испытаниями всхожести и силы семян создает оценка проростков, проводимая в виде теста на истощение или испытания силы начального роста, которое сейчас широко распространено и включено в Международные правила определения качества семян. При этом оцениваются три компонента: а) скорость прорастания; б) скорость роста после прорастания; в) целостность и нормальное состояние проростков.
Физиологические и биохимические испытания силы семян
Купер и Кволлс и Кволлс и Купер указывали, что силу проростков можно измерять по относительной скорости роста после того, как проростки начнут фотосинтезировать, но что свойства, требующиеся им до появления на почве, могут сильно отличаться от тех, которые необходимы для роста на свету. Для предшествующей гетеротрофной фазы способность проростка к быстрому и непрерывному росту растяжением является пригодным показателем потенциальной урожайности по крайней мере для семян лядвенца рогатого. Испытания потенциальной выносливости проростков легче стандартизировать в темноте, чем на свету. Герм и вслед за ним Линднер усовершенствовали метод определения всхожести в рулонах, преобразовав его тест на истощение, при котором семена закладывают в рулоны фильтровальной бумаги и помещают при благоприятной температуре на определенное число дней в темное место, после чего определяют длину и состояние образовавшихся проростков. Однако в последнее время все больше внимания привлекают испытания, которые нельзя отнести к ростовым тестам. Они длятся всего один день или даже несколько часов после начала инкубации, а иногда осуществляются на не набухших семенах. В обзоре литературы, посвященном биохимическим изменениям, связанным со снижением силы семян или их способности к прорастанию, Абдул-Баки указывает следующие четыре категории: 1) снижение метаболической активности и ее проявлений; 2) повышение активности определенных ферментов; 3) уменьшение активности других, преимущественно дыхательных ферменто; 4) повышение проницаемости мембран и вследствие этого выделение из семян Сахаров, аминокислот и растворов неорганических веществ, а также повышение содержания свободных жирных кислот, о котором упоминает Зелени. Таким образом, на основе биохимических испытаний силы семян можно обнаружить нездоровые участки поврежденных семян; оценивать общую жизнеспособность, используя реакцию одного из основных ферментов; при помощи этого фермента контролировать более сложный процесс, жизненно важный для семян на ранних стадиях прорастания. По мнению Вудстока, в идеале, такой процесс должен быть важен для организма и доступен точному измерению. Если он предназначен для использования в консультативных целях в широком масштабе, то его применение не должно быть связано с существенной затратой времени и средств. Семена могут быть испытаны и до набухания путем инфильтрации их хлористым барием и последующего воздействия рентгеновскими лучами. Используя этот метод, можно одновременно выяснить, в какой степени зародыш заполняет семя и проник ли в него хлористый барий; последнее возможно лишь в том случае, если в семени имеются неинтактные пространства. Таким образом, с помощью этого метода можно определить целостность отдельных семян. Другой метод испытаний, который также проводится на ненабухших семенах, основан на определении активности декарбоксилазы глутаминовой кислоты в гомогенате, полученном из большого числа семян, и применяется пока в основном для семян зерновых культур. Об активности фермента судят по реакции гомогената на добавление глутаминовой кислоты: бурное выделение углекислого газа характеризует сильные семена, хотя фактическая функция фермента в живых семенах пока далеко не ясна. Для каждого сорта должна быть построена своя калибровочная кривая, но, но данным Грабе, и в этом случае на основании полученного результата можно скорее охарактеризовать рост и потенциальную урожайность, чем способность исследуемой партии семян к прорастанию. Джеймс указывает, что у семян обыкновенной фасоли самым существенным органом является ось, однако на ее долю приходится всего от 9% до 13% активности ДГК, и что семядоли, которые являются в этом месте основными носителями активности, могут сохранять ее на высоком уровне, даже если семена уже испорчены. Мур проследил историю методов, в которых применяли прижизненную окраску семян. Две партии семян равного возраста, в каждой по пять сортов. Оба возраста для всех сортов одинаковы Активность декарбоксилазы глутаминовой кислоты: выделение С02 через 30 мин после смешивания стандартных количеств размолотых семян с глутаминовой кислотой. Живые участки окрашиваются независимо от того, находятся семена в состоянии покоя или нет; это является наглядным проявлением свойства, которое Лакон назвал потенциальной способностью к прорастанию, но которое может быть ошибочно расценено как способность к прорастанию во время испытания. Хотя Лакон и не был создателем этого метода, он, вероятно, первый увидел его многочисленные возможности. Он назвал свой вариант топографический тетразольный метод, так как этот метод позволяет исследователю картировать участки живых и мертвых клеток в отдельных семенах. Важное значение имеет именно расположение, а не размер этих участков. Лакон является автором известного изречения, что семена могут быть «полумертвыми». Он показал, что прорастание таких семян может начаться и приостановиться; способность частично мертвых семян образовывать проростки в большой мере зависит от наличия благоприятных условий среды. Для обозначения их склонности к прорастанию он предложил, как упоминалось выше, термин «неустойчивое» в противоположность «устойчивому». Вслед за Лаконом Булат так искусно усовершенствовала тетразольный метод, что в руках опытного исследователя различия между оценками способности к прорастанию семян, не находящихся в состоянии покоя, при помощи тетразола и испытаний всхожести стали незначительными. Более точная оценка результатов, получаемых при использовании ТТХ, чем это необходимо для определения всхожести, может дать возможность использовать этот метод для испытания силы, т. е. целостности, семян. Однако специалисты пока не пришли к единому мнению относительно степени точности, которую следует применять. Шуберт предложил делить семена на три категории: полностью окрашенные, совсем неокрашенные и все остальные. Часть семян из третьей группы при определенных условиях может прорасти и дать хорошие всходы. В противоположность этому Мур предлагает пять категорий. Все дело в том, где провести произвольные разделяющие линии: разбирать эти различия — незавидная задача. Мур настолько усовершенствовал свой способ интерпретации результатов, полученных тетразольным методом, что может применять его для выявления причин повреждения семян. Некрозы могут 'быть вызваны погодными условиями до уборки, механическими поврождениями во время уборки или обработки семян или старением в период хранения, и в каждом случае различный характер окрашивания тетразолом свидетельствует о причине некроза. Кроме того, Мур показал, что первоначально мелкие некрозы разрастаются во время хранения в присутствии ксерофитных микроорганизмов, которые вначале ведут себя как сапрофиты, но затем могут стать паразитами. Позднее Вудсток, Вудсток и Грабе, Вудсток и Фили и Китток и Лоу показали, что в течение первых часов инкубации дыхание, выраженное как в форме поглощения кислорода, так и в форме дыхательного коэффициента, независимо от его положения в причинной цепи представляет собой достаточно важный и изменчивый процесс и может служить хорошим показателем не только способности к прорастанию, но и ожидаемой скорости роста проростков. Вудсток также установил, что включение радиоактивного лейцина может служить хорошим показателем способности прорастающих семян к синтезу белка. Однако явные расхождения между результатами этих двух методов оценки силы семян заставили Вудстока призвать к более строгой интерпретации получаемых результатов. В этой связи следует отметить, что Китток и Лоу обнаружили различия между интенсивностью дыхания семян различных сортов одного вида. Это означает, что в качестве показателей силы можно сравнивать только интенсивность дыхания семян одних и тех же или близкородственных линий.
Влияние старения семян на их силу
Совершенно ясно, что общая эффективность метаболизма семян с возрастом снижается. Это явление изучали Абу-Шакра и Чинг. В биохимических и электронномикроскопических исследованиях осей прорастающих семян сои, выращенных в темноте, было обнаружено, что ухудшение вызывает видимое увеличение плотности гранул матрикса митохондрий. В стареющих семенах поглощение кислорода на единицу массы митохондриального азота возрастало до 110—140%, в то время как отношение Р/О, являющееся показателем эффективности окислительного фосфорилирования, снижалось по сравнению с молодыми семенами до 40—70%, что свидетельствует о том, что дыхание более старых семян становится несопряженным. Андерсон, работавший с семенами ячменя, предостерегал от предположения, что в ухудшающихся семенах все реакции изменяются с одинаковой скоростью: в его опытах скорость выделения СОг при прорастании старых семян была почти в два раза выше, чем при прорастании молодых, тогда как активность в них амилазы через 36 ч составляла лишь около двух третей. Всхожесть старых и молодых семян и скорость поглощения ими кислорода были одинаковы. Однако ускоренное старение вызывало у старых семян более быстрое снижение способности к прорастанию, чем у молодых. Абдул-Баки продолжил эти исследования. Он проследил использование в противоположность абсорбции) экзогенно применяемой глюкозы семенами пшеницы и ячменя различных физиологических возрастов и нашел, что этот способ дает возможность значительно раньше распознать ухудшение качества семян, чем измерение роста проростков, дыхания и прорастания, т. е. процессов, чувствительность которых запаздывает в восходящем порядке. Таким образом, это снижение синтетической способности является ранним сигналом об опасности, свидетельствующим о том, что качество семян начинает «приближаться к закату». Все рассмотренные биохимические методы заслуживают с научной точки зрения большего внимания и доверия, чем методы, основанные на ростковых реакциях, даже если для разрешения противоречий в их результатах необходимо более подробно изучить их взаимосвязь. Среди них особое предпочтение следует отдать методу Абдул-Баки, так как на основе используемого в нем сложного комплексного процесса можно дать убедительную оценку синтетической способности семян. Вместе с анализом метаболизма митохондрий и нуклеиневых кислот этот метод является шагом вперед по сравнению с любой ранее предпринятой попыткой разобраться в причинах силы семян.
Целостность мембран
В свое время было постулировано, что снижение силы семян, если и не обусловлено увеличением проницаемости клеточных мембран, то во всяком случае связано с ним. Вызванное этим просачивание из клеток наряду с другими водорастворимыми соединениями Сахаров и электролитов приводит по меньшей мере к двум последствиям: к снижению эффективности метаболизма и транспорта и к повышению активности микроорганизмов, привлекаемых вытекающими веществами и заселяющих сначала спермосферу вокруг семени в почве и поверхность семени, а в конечном счете все уязвимые участки поврежденных семян. Даже в хранилище просачивание метаболитов будет стимулировать активность поверхностной микрофлоры, которая всегда присутствует на семенах. Такаянаги и Мураками разработали интересный метод определения жизнеспособности, основанный на использовании реактивной бумаги, применяемой для анализа мочи на сахар, которая окрашивается в зеленый цвет, выявляя утечку глюкозы из набухших семян, например у Brassica napus. Однако Абдул-Баки и Андерсон излагают ряд соображений, почему утечка Сахаров из семян не может служить надежным показателем их силы. Так, и естественное, и ускоренное старение приводит к снижению жизнеспособности, но только естественное старение усиливает утечку Сахаров из семян. В то же время механическое повреждение, вызывающее усиленную утечку Сахаров, может не влиять на жизнеспособность. Хотя этот процесс, несомненно, может служить индикатором повышения проницаемости мембран, более важное значение имеет скорость использования остающихся Сахаров, которую не удается измерить указанным методом. Кроме того, в самом зародыше нередко содержится лишь 10—20% Сахаров. Обнадеживающие результаты дает и испытание электропроводности. Однако правильная интерпретация результатов возможна только в том случае, если этот метод используют для испытания образцов семян с высокой всхожестью. Семена замачивают на определенное время в отмеренном количестве воды, тщательно встряхивают и сливают воду, после чего измеряют ее электропроводность. Чем выше проницаемость мембран, тем больше электролитов вытекает из семян и тем выше электропроводность воды, в которой они были замочены. Определение проводится быстро, легко и дает точные результаты; некоторые данные показывают, что утечка электролитов вообще характеризует качество мембран. Однако для каждого сорта необходимо строить калибровочную кривую. Хотя обычно для консультативных целей измерение электропроводности проводят на группе семян, этот метод успешно использовали и на отдельных семенах гороха при изучении влияния неблагоприятных климатических условий. Другой метод проверки целостности клеточных мембран, разработанный Эффманом и Шпехтом, основан на использовании кислого фуксина; преимущество этого метода заключается в том, что он применяется на отдельных семенах и носит топографический характер. Ни один из этих методов не выявляет причин утечки, а только констатирует наличие самого явления. Однако Коостра и Харрингтон показали, что снижение содержания полярных липидов, главным образом в результате их окисления, может служить непосредственной причиной повышения проницаемости клеточных мембран в семенах. Рассматривая природу вытекающих веществ и возможные причины этого явления, Чинг и Скулкрафт указывают, что катастрофическое повышение утечки аминокислот из семян инкарнатного клевера, хранившегося при высокой влажности и температуре, отражает усиление активности протеазы во время хранения, что, вероятно, связано с деградацией «мембран органелл, нуклеопротеинов, рибосом и ферментов», в то время как наличие большого количества неорганического фосфата свидетельствует о возрастании активности фитазы это обстоятельство, хотя и не влияет на жизнеспособность, но вызывает заметное подавление роста проростков.
Имеются и другие примеры большого влияния окружающей среды на семена в период их формирования. В частности, географическое положение семенных посевов может оказывать влияние на состав семян и, следовательно, на их силу. По данным Маршалла, в некоторых районах в эндосперме спелых зерен овса устойчиво поддерживается достаточно высокое отношение фосфора и калия к азоту, что обеспечивает холодостойкость развивающихся всходов, тогда как в других районах подобное явление не наблюдается. Поллок и Тул в опытах с лимской фасолью получили аналогичные результаты. Галашалова и Марусина установили, что урожайность пшеницы в северных районах Сибири меньше, чем выращенной в южных районах. К моменту, когда обе группы растений достигают наивысшей, доступной им степени зрелости, пшеница из южных районов отличается более высокой концентрацией питательных веществ. Помимо влияния на всхожесть или на нормальное развитие проростков, пересушивание увеличивает время прорастания. Следует отметить, что в экстремальных случаях оно вызывает у появившихся проростков аномалии, которые неотличимы от аномалий, вызываемых хранением в чрезмерно-влажных условиях это свидетельствует о том, что деятельность, микроорганизмов не является главной причиной порчи семян в условиях влажного хранения. Как было показано на семенах сорго, осторожное увлажнение семян перед проращиванием даже после нескольких лет хранения может аннулировать вред, нанесенный пересушиванием. Значение начальных фаз прорастания Эффективность процессов, характеризующих начальные фазы про- -растения, в значительной мере определяет состояние и эффективность формирующихся проростков. Поскольку живые и мертвые семена на ранних стадиях набухания, по-видимому, всасывают воду с одинаковой скоростью, начальные фазы прорастания нередко считают чисто пассивными и предшествующими любой физиологической активности. Однако имеются данные, свидетельствующие об огромном влиянии окружающей среды на самое начало процесса набухания. Поразительные примеры приводятся в работах Поллока и Тула, Вудстока и Поллока, проведенных на семенах лимской фасоли. Эти семена на самых ранних стадиях вторичного увлажнения чувствительны к охлаждению. Даже если в дальнейшем температура будет благоприятной, выдерживание семян в течение первого часа набухания при температуре 15°С или ниже приводит впоследствии к значительному снижению интенсивности дыхания зародышевых осей и скорости роста проростков. Вудсток и Поллок пришли к выводу, что ранние фазы процесса набухания имеют решающее значение, поскольку в это время дыхание должно быть достаточно интенсивным, чтобы обеспечить необходимое количество энергии для нормального повторного увлажнения и растяжения мембран в зародышевой оси. Анаэробные условия на этих критических этапах влекут за собой необратимые повреждения мембран и, следовательно, ухудшение роста проростков и нападение микроорганизмов, которых привлекают вещества, просачивающиеся сквозь мембраны. Ссылаясь на классическую работу Кидда и Веста, Вудсток и Поллок приходят к выводу, что их собственные результаты являются примером физиологического предопределения. Но как их предопределяющие обработки, так и описанные Хайкиным и Лангом и Дюраном, которые изучали влияние истории родительского поколения, оказывали вредное воздействие. В этом случае предопределение фактически сводилось к предварительному ухудшению: физиологический потенциал семян каким-то образом снижался в самом начале. И наоборот, Поллок и Тул установили, что если в самом начале прорастания температура была достаточно высока, проростки лимской фасоли в дальнейшем становились более устойчивыми к охлаждению. Сходным образом Орфанос и Хайдекер установили, что если начальный период протекает в аэробных условиях, то такое воздействие иногда может предохранить семена фасоли от неизбежных повреждений при замачивании, к которым они, как известно, чрезвычайно чувствительны. Проявление и определение силы семян Нередко предполагают, что лабораторная всхожесть партий семян точно соответствует их поведению в полевых условиях. Действительно, существует довольно хорошая корреляция между приспособленностью семян к внешним условиям и их всхожестью. Тем не менее в пределах одного сорта приживаемость проростков из различных партий семян, характеризующихся сходной лабораторной всхожестью, часто бывает неодинаковой. В связи с этим ведутся поиски таких методов определения силы семян, которые не столько предсказывали бы фактическую приживаемость в полевых условиях, но давали бы более верную оценку относительной способности различных партий семян приживаться в полевых условиях. Вообще говоря, из семян партии, характеризующихся лучшей приживаемостью, будут образовываться растения, которые лучше растут и дадут затем более высокие урожаи: первоначальная сила семян сохраняется.
Молодость, сила семян и энергия
Иногда говорят, что сильные семена физиологически молоды. Неправильные условия хранения могут быть причиной чрезвычайно быстрого старения даже хронологически молодых семян. Согласно Грабе, который ссылается на Зелени, при старении семян во время хранения в них происходит целый ряд вредных физиологических изменений), в результате которых возрастает восприимчивость к возбудителям гнилей семян, а скорость прорастания и роста проростков снижается; но что особенно важно — схожесть начинает снижаться лишь после того, как все эти изменения в какой-то степени осуществятся. Таким образом, согласно Грабе и Делушу, Рашингу и Баокину, ухудшение качества семян обычно проявляется в обратной последовательности: сначала снижается урожайность, затем рост и способность семян создавать стеблестой в поле и в последнюю очередь всхожесть. Следовательно, ухудшение качества семян может наступить гораздо раньше, чем его удастся распознать по результатам стандартных испытаний всхожести или даже модифицированного метода определения всхожести в стрессовых условиях окружающей среды. Однако эти данные противоречат результатам опытов Абдаллы и Робертса с горохом, бобами и ячменем, согласно правилом которым снижение урожайности будет незначительным, пока ухудшение семян не найдет отражения в некоторой потере всхожести. Кроме того, в их опытах уменьшение скорости роста проростков предшествовало заметному снижению урожайности.
Скорость прорастания
Сильные семена, за исключением тех, которые находятся в состоянии покоя, должны прорастать быстро; но условия семенного ложа могут не допустить прорастания сразу после посева, и в этом случае сильное семя способно пережить период неблагоприятных условий, а затем образовать сильный и здоровый проросток и дать хороший урожай. Однако даже в благоприятных условиях быстрота прорастания не всегда является существенным компонентом силы проростка. Например, очень хорошо вызревшие семена могут набухать, а следовательно, прорастать медленнее, чем остальные. Кроме того, патогены, передающиеся с семенами, иногда могут стимулировать их более раннее по сравнению со здоровыми прорастание. И, наконец, семена могут прорастать медленно потому, что частично еще находятся в состоянии покоя. По этим и другим возможным причинам термин «энергия прорастания» полностью исчез из словаря семеноводов. Однако в течение короткого периода времени, конец которому был положен лобовой атакой Верхея т этот термин имел определенное значение времени до прорастания, или вернее процента семян исследуемого вида, способных прорасти в течение короткого времени с начала испытания всхожести в лаборатории. И действительно, при сравнении характеристики прорастания партии семян с ее собственной характеристикой, полученной на более ранней стадии в идентичных условиях среды, задержка прорастания и часто также более сильное рассеивание-сроков прорастания отдельных семян являются выражением ухудшения качества семян, которое легко определить. Делуш, установивший, что скорость прорастания снижается значительно раньше, чем всхожесть, пытается восстановить значение термина «скорость прорастания» в качестве обоснованного параметра. Наряду с этим Броневсский обнаружил, что интенсивность клеточного деления на ранней фазе прорастания снижается гораздо раньше, чем всхожесть. Ванджура, Хадспет и Билбро, а также Уолли, Мак-Келл и Грин и Делуш подчеркивают, что этот термин связан с ранним появлением всходов на почве. По их данным, оно в гораздо большей мере зависит от качества семян, чем от глубины посева, и что конечный урожай лучше коррелирует с ранним появлением всходов, чем с большинством остальных параметров. Были предприняты попытки выразить скорость и процент прорастания в виде одного комбинированного цифрового показателя, но они не имели успеха. Следует отметить, что для агрономических целей логический мостик между испытаниями всхожести и силы семян создает оценка проростков, проводимая в виде теста на истощение или испытания силы начального роста, которое сейчас широко распространено и включено в Международные правила определения качества семян. При этом оцениваются три компонента: а) скорость прорастания; б) скорость роста после прорастания; в) целостность и нормальное состояние проростков.
Физиологические и биохимические испытания силы семян
Купер и Кволлс и Кволлс и Купер указывали, что силу проростков можно измерять по относительной скорости роста после того, как проростки начнут фотосинтезировать, но что свойства, требующиеся им до появления на почве, могут сильно отличаться от тех, которые необходимы для роста на свету. Для предшествующей гетеротрофной фазы способность проростка к быстрому и непрерывному росту растяжением является пригодным показателем потенциальной урожайности по крайней мере для семян лядвенца рогатого. Испытания потенциальной выносливости проростков легче стандартизировать в темноте, чем на свету. Герм и вслед за ним Линднер усовершенствовали метод определения всхожести в рулонах, преобразовав его тест на истощение, при котором семена закладывают в рулоны фильтровальной бумаги и помещают при благоприятной температуре на определенное число дней в темное место, после чего определяют длину и состояние образовавшихся проростков. Однако в последнее время все больше внимания привлекают испытания, которые нельзя отнести к ростовым тестам. Они длятся всего один день или даже несколько часов после начала инкубации, а иногда осуществляются на не набухших семенах. В обзоре литературы, посвященном биохимическим изменениям, связанным со снижением силы семян или их способности к прорастанию, Абдул-Баки указывает следующие четыре категории: 1) снижение метаболической активности и ее проявлений; 2) повышение активности определенных ферментов; 3) уменьшение активности других, преимущественно дыхательных ферменто; 4) повышение проницаемости мембран и вследствие этого выделение из семян Сахаров, аминокислот и растворов неорганических веществ, а также повышение содержания свободных жирных кислот, о котором упоминает Зелени. Таким образом, на основе биохимических испытаний силы семян можно обнаружить нездоровые участки поврежденных семян; оценивать общую жизнеспособность, используя реакцию одного из основных ферментов; при помощи этого фермента контролировать более сложный процесс, жизненно важный для семян на ранних стадиях прорастания. По мнению Вудстока, в идеале, такой процесс должен быть важен для организма и доступен точному измерению. Если он предназначен для использования в консультативных целях в широком масштабе, то его применение не должно быть связано с существенной затратой времени и средств. Семена могут быть испытаны и до набухания путем инфильтрации их хлористым барием и последующего воздействия рентгеновскими лучами. Используя этот метод, можно одновременно выяснить, в какой степени зародыш заполняет семя и проник ли в него хлористый барий; последнее возможно лишь в том случае, если в семени имеются неинтактные пространства. Таким образом, с помощью этого метода можно определить целостность отдельных семян. Другой метод испытаний, который также проводится на ненабухших семенах, основан на определении активности декарбоксилазы глутаминовой кислоты в гомогенате, полученном из большого числа семян, и применяется пока в основном для семян зерновых культур. Об активности фермента судят по реакции гомогената на добавление глутаминовой кислоты: бурное выделение углекислого газа характеризует сильные семена, хотя фактическая функция фермента в живых семенах пока далеко не ясна. Для каждого сорта должна быть построена своя калибровочная кривая, но, но данным Грабе, и в этом случае на основании полученного результата можно скорее охарактеризовать рост и потенциальную урожайность, чем способность исследуемой партии семян к прорастанию. Джеймс указывает, что у семян обыкновенной фасоли самым существенным органом является ось, однако на ее долю приходится всего от 9% до 13% активности ДГК, и что семядоли, которые являются в этом месте основными носителями активности, могут сохранять ее на высоком уровне, даже если семена уже испорчены. Мур проследил историю методов, в которых применяли прижизненную окраску семян. Две партии семян равного возраста, в каждой по пять сортов. Оба возраста для всех сортов одинаковы Активность декарбоксилазы глутаминовой кислоты: выделение С02 через 30 мин после смешивания стандартных количеств размолотых семян с глутаминовой кислотой. Живые участки окрашиваются независимо от того, находятся семена в состоянии покоя или нет; это является наглядным проявлением свойства, которое Лакон назвал потенциальной способностью к прорастанию, но которое может быть ошибочно расценено как способность к прорастанию во время испытания. Хотя Лакон и не был создателем этого метода, он, вероятно, первый увидел его многочисленные возможности. Он назвал свой вариант топографический тетразольный метод, так как этот метод позволяет исследователю картировать участки живых и мертвых клеток в отдельных семенах. Важное значение имеет именно расположение, а не размер этих участков. Лакон является автором известного изречения, что семена могут быть «полумертвыми». Он показал, что прорастание таких семян может начаться и приостановиться; способность частично мертвых семян образовывать проростки в большой мере зависит от наличия благоприятных условий среды. Для обозначения их склонности к прорастанию он предложил, как упоминалось выше, термин «неустойчивое» в противоположность «устойчивому». Вслед за Лаконом Булат так искусно усовершенствовала тетразольный метод, что в руках опытного исследователя различия между оценками способности к прорастанию семян, не находящихся в состоянии покоя, при помощи тетразола и испытаний всхожести стали незначительными. Более точная оценка результатов, получаемых при использовании ТТХ, чем это необходимо для определения всхожести, может дать возможность использовать этот метод для испытания силы, т. е. целостности, семян. Однако специалисты пока не пришли к единому мнению относительно степени точности, которую следует применять. Шуберт предложил делить семена на три категории: полностью окрашенные, совсем неокрашенные и все остальные. Часть семян из третьей группы при определенных условиях может прорасти и дать хорошие всходы. В противоположность этому Мур предлагает пять категорий. Все дело в том, где провести произвольные разделяющие линии: разбирать эти различия — незавидная задача. Мур настолько усовершенствовал свой способ интерпретации результатов, полученных тетразольным методом, что может применять его для выявления причин повреждения семян. Некрозы могут 'быть вызваны погодными условиями до уборки, механическими поврождениями во время уборки или обработки семян или старением в период хранения, и в каждом случае различный характер окрашивания тетразолом свидетельствует о причине некроза. Кроме того, Мур показал, что первоначально мелкие некрозы разрастаются во время хранения в присутствии ксерофитных микроорганизмов, которые вначале ведут себя как сапрофиты, но затем могут стать паразитами. Позднее Вудсток, Вудсток и Грабе, Вудсток и Фили и Китток и Лоу показали, что в течение первых часов инкубации дыхание, выраженное как в форме поглощения кислорода, так и в форме дыхательного коэффициента, независимо от его положения в причинной цепи представляет собой достаточно важный и изменчивый процесс и может служить хорошим показателем не только способности к прорастанию, но и ожидаемой скорости роста проростков. Вудсток также установил, что включение радиоактивного лейцина может служить хорошим показателем способности прорастающих семян к синтезу белка. Однако явные расхождения между результатами этих двух методов оценки силы семян заставили Вудстока призвать к более строгой интерпретации получаемых результатов. В этой связи следует отметить, что Китток и Лоу обнаружили различия между интенсивностью дыхания семян различных сортов одного вида. Это означает, что в качестве показателей силы можно сравнивать только интенсивность дыхания семян одних и тех же или близкородственных линий.
Влияние старения семян на их силу
Совершенно ясно, что общая эффективность метаболизма семян с возрастом снижается. Это явление изучали Абу-Шакра и Чинг. В биохимических и электронномикроскопических исследованиях осей прорастающих семян сои, выращенных в темноте, было обнаружено, что ухудшение вызывает видимое увеличение плотности гранул матрикса митохондрий. В стареющих семенах поглощение кислорода на единицу массы митохондриального азота возрастало до 110—140%, в то время как отношение Р/О, являющееся показателем эффективности окислительного фосфорилирования, снижалось по сравнению с молодыми семенами до 40—70%, что свидетельствует о том, что дыхание более старых семян становится несопряженным. Андерсон, работавший с семенами ячменя, предостерегал от предположения, что в ухудшающихся семенах все реакции изменяются с одинаковой скоростью: в его опытах скорость выделения СОг при прорастании старых семян была почти в два раза выше, чем при прорастании молодых, тогда как активность в них амилазы через 36 ч составляла лишь около двух третей. Всхожесть старых и молодых семян и скорость поглощения ими кислорода были одинаковы. Однако ускоренное старение вызывало у старых семян более быстрое снижение способности к прорастанию, чем у молодых. Абдул-Баки продолжил эти исследования. Он проследил использование в противоположность абсорбции) экзогенно применяемой глюкозы семенами пшеницы и ячменя различных физиологических возрастов и нашел, что этот способ дает возможность значительно раньше распознать ухудшение качества семян, чем измерение роста проростков, дыхания и прорастания, т. е. процессов, чувствительность которых запаздывает в восходящем порядке. Таким образом, это снижение синтетической способности является ранним сигналом об опасности, свидетельствующим о том, что качество семян начинает «приближаться к закату». Все рассмотренные биохимические методы заслуживают с научной точки зрения большего внимания и доверия, чем методы, основанные на ростковых реакциях, даже если для разрешения противоречий в их результатах необходимо более подробно изучить их взаимосвязь. Среди них особое предпочтение следует отдать методу Абдул-Баки, так как на основе используемого в нем сложного комплексного процесса можно дать убедительную оценку синтетической способности семян. Вместе с анализом метаболизма митохондрий и нуклеиневых кислот этот метод является шагом вперед по сравнению с любой ранее предпринятой попыткой разобраться в причинах силы семян.
Целостность мембран
В свое время было постулировано, что снижение силы семян, если и не обусловлено увеличением проницаемости клеточных мембран, то во всяком случае связано с ним. Вызванное этим просачивание из клеток наряду с другими водорастворимыми соединениями Сахаров и электролитов приводит по меньшей мере к двум последствиям: к снижению эффективности метаболизма и транспорта и к повышению активности микроорганизмов, привлекаемых вытекающими веществами и заселяющих сначала спермосферу вокруг семени в почве и поверхность семени, а в конечном счете все уязвимые участки поврежденных семян. Даже в хранилище просачивание метаболитов будет стимулировать активность поверхностной микрофлоры, которая всегда присутствует на семенах. Такаянаги и Мураками разработали интересный метод определения жизнеспособности, основанный на использовании реактивной бумаги, применяемой для анализа мочи на сахар, которая окрашивается в зеленый цвет, выявляя утечку глюкозы из набухших семян, например у Brassica napus. Однако Абдул-Баки и Андерсон излагают ряд соображений, почему утечка Сахаров из семян не может служить надежным показателем их силы. Так, и естественное, и ускоренное старение приводит к снижению жизнеспособности, но только естественное старение усиливает утечку Сахаров из семян. В то же время механическое повреждение, вызывающее усиленную утечку Сахаров, может не влиять на жизнеспособность. Хотя этот процесс, несомненно, может служить индикатором повышения проницаемости мембран, более важное значение имеет скорость использования остающихся Сахаров, которую не удается измерить указанным методом. Кроме того, в самом зародыше нередко содержится лишь 10—20% Сахаров. Обнадеживающие результаты дает и испытание электропроводности. Однако правильная интерпретация результатов возможна только в том случае, если этот метод используют для испытания образцов семян с высокой всхожестью. Семена замачивают на определенное время в отмеренном количестве воды, тщательно встряхивают и сливают воду, после чего измеряют ее электропроводность. Чем выше проницаемость мембран, тем больше электролитов вытекает из семян и тем выше электропроводность воды, в которой они были замочены. Определение проводится быстро, легко и дает точные результаты; некоторые данные показывают, что утечка электролитов вообще характеризует качество мембран. Однако для каждого сорта необходимо строить калибровочную кривую. Хотя обычно для консультативных целей измерение электропроводности проводят на группе семян, этот метод успешно использовали и на отдельных семенах гороха при изучении влияния неблагоприятных климатических условий. Другой метод проверки целостности клеточных мембран, разработанный Эффманом и Шпехтом, основан на использовании кислого фуксина; преимущество этого метода заключается в том, что он применяется на отдельных семенах и носит топографический характер. Ни один из этих методов не выявляет причин утечки, а только констатирует наличие самого явления. Однако Коостра и Харрингтон показали, что снижение содержания полярных липидов, главным образом в результате их окисления, может служить непосредственной причиной повышения проницаемости клеточных мембран в семенах. Рассматривая природу вытекающих веществ и возможные причины этого явления, Чинг и Скулкрафт указывают, что катастрофическое повышение утечки аминокислот из семян инкарнатного клевера, хранившегося при высокой влажности и температуре, отражает усиление активности протеазы во время хранения, что, вероятно, связано с деградацией «мембран органелл, нуклеопротеинов, рибосом и ферментов», в то время как наличие большого количества неорганического фосфата свидетельствует о возрастании активности фитазы это обстоятельство, хотя и не влияет на жизнеспособность, но вызывает заметное подавление роста проростков.
