Приступая к написанию этого поста, имел некоторые трудности. Основной проблемой было изложить вопрос так, чтобы не просто показать его связь с практикой, но и сделать сообщение максимально популярным, а не рассчитанным исключительно на молекулярных биологов и физиологов растений. Также надо было не пасть в другую крайность, когда простота текста связана с частичной потерей сути дела. К сожалению, природа не укладывается в прокрустово ложе знания биологии на уровне средней школы, причём не укладывается как раз там, где понимание процессов жизнедеятельности остро нужно на практике. Насколько удалось избежать этих Сциллы и Харибды любого популяризатора, судить читателям...
И второе. Именно для тех, кому интересны нюансы. Всё ниженаписанное в этом смысле не заменяет статей, в том числе обзоров. Таковые на русском языке в последние годы появились в журнале "Физиология растений". Кому интересна фундаментальная наука - это туда или в зарубежные журналы соответствующего профиля. Зато тут имею возможность анализировать данные именно по винограду.
Вот вроде бы и все. Пора переходить к сути дела.
Уже неоднократно упоминал, что нитрат (и не только) является как источником азота, так и регулятором различных процессов жизнедеятельности растения. Возможно, кто-то скажет, ну действует нитрат на растения, и что дальше? А вот что. Зная такого рода особенности, можно подобрать режим применения данного ДВ, когда уже в минимальных дозах достигается нужный результат, и при этом избежать проблем, связанных с превышением оптимальных концентраций. Аналогичная ситуация и с другими источниками азота, равно как и других элементов минерального питания. Но здесь пишу про то, что лучше всего знаю.
1. Отрицательные и положительные обратные связи в азотном питании. Нитрат в низкой или физиологически оптимальной концентрации усиливает как локальное
поглощение корнями, так и системный
транспорт различных форм азота по проводящей системе. В избытке нитрат локально
снижал эффективность собственного поглощения. Продукты усвоения нитрата угнетали его поглощение на
локальном (аммоний) и
системном (аминокислоты, в первую очередь, глутамат) уровнях. В последнем случае важен именно избыток органического азота в растении в целом независимо от того, каким именно путем произошло поглощение.
Аммоний эффективно поглощается в субмиллимолярных количествах, когда еще не токсичен для растения. Даже в концентрациях порядка 1 мМ (1 мМ сульфата аммония соответствует содержанию 0,13 г/л) он уже
подавлял собственное поглощение. Принципиальная специфика листовой подкормки аммонием состоит в том, что сложно стабилизировать его концентрацию на нетоксичном уровне. Зато мочевина по листу достаточно безопасна для растений, поглощаясь в исходном виде, хотя в почве даёт аммоний. Соответственно, нитратный и карбамидный азот удобен при внесении опрыскиванием по листу, а аммонийный - в почву. В первом случае азотный запас создается в растении, притом именно там, где легко используется за счет образуемых продуктов фотосинтеза, а во втором - в виде сорбированных почвой и постепенно отдаваемых ионов. Понятно, что быстро удовлетворить пиковую потребность в азоте удобно первым способом, а не вторым.
Различные формы азота регулируют не только поглощение, но и усвоение друг друга. Так, они
стимулировали активность генов, кодирующих ключевые ферменты азотного обмена у винограда лабруска "Black Summer" при опрыскивании в начале цветения и при окрашивании гроздей. Наихудший результат показывали натриевая селитра и сульфат аммония, наилучший - мочевина и аммонийная селитра, причем наиболее эффективными дозами были 0,2 и 0,4%, но не 0,6%. На примере подвоя винограда "SO4"
выявлено, что уже 2 мМ нитрат, аммоний, мочевина и глутамин после азотного голодания увеличивали активность гена необходимой для быстрого восстановления образуемого при восстановлении нитрата высокотоксичного нитрита нитритредуктазы, но, как ни странно, уменьшали - гена
нитратредуктазы. Сами авторы объясняют это как реакцию на резкое увеличение содержания нитрата, оказавшееся стрессом для растений. На примере устойчивого к разным видам абиотического стресса подвоя винограда "M4"
показана стимуляция 10 мМ нитратом наработки белка самых разных ферментов, участвующих в усвоении азота. Примеров угнетения нитратредуктазы аммонием или аминокислотами именно у винограда не нашел, что, по-видимому, объясняется предотвращением образования в растении избытка азота еще на уровне его поглощения, тогда как последующее вовлечение в метаболизм происходит на фоне возможности практически всегда использовать для этого углеродные и энергетические запасы многолетней древесины. По-видимому, последние у взрослого здорового неистощенного растения винограда не являются дефицитным ресурсом. Как обстоит дело у больного, насколько мне известно, никто не проверял. Представления о снижении активности нитратредуктазы в ответ на восстановленные и органические формы азота появились в ситуации, когда работа шла с травянистыми растениями, возможно, их сеянцами или при сравнительно низкой освещенности. Косвенное подтверждение лимитирующей восстановление нитрата роли запасов крахмала, сахарозы и других форм углерода в этих условиях - стимуляция работы нитратредуктазы в растении самыми разными углеводами и органическими кислотами.
Частный, но весьма актуальный на практике случай стимуляции использования нитратного азота растением при устранении светового и углеродного "голода", лимитирующих этот процесс - зависимость от света не только активности нитратредуктазы, но и темпов поглощения нитрата, а также величины его запасов в растении, например, у
томата и
гороха при корневом азотном питании.
Наличие и
значимость соответствующих транспортеров в листьях заставляют предполагать, что и при некорневой подкормке конечный эффект будет тесно связан с текущей освещенностью растений,
даже если в данных условиях нитрат проходит через безустьичную кутикулу (что само по себе большая редкость, как это продемонстрировал на многих примерах ранее).
Возвращаясь к нашим баранам, сейчас уже понятно, что продуктивность растений
определяется вкладом взаимодействующих процессов регулирующего действия источников элементов минерального питания, углеродного и азотного обмена. Не уделив этому должного внимания, практически невозможно реально предсказать результат получения растением
тех самых миллиграммов. Это не значит, что он будет плохим. Это значит, что подходящие режимы корневого и некорневого удобрения в противном случае ищут
методом тыка, что
сложно, долго и не гарантирует получения желаемого.
Оффтопик: открыть
Специально делаю акцент на этом потому, что многие горе-практики почему-то уверены, что их эмпирический подход самый подходящий. Однако понимаю, что горе-теоретики сами дают повод для такого отношения, в принципе избегая работать в направлении практически важных результатов.
Понятно, что действие
нитрата, аммония, мочевины и др. на углеродный обмен, полезное при небольшой их концентрации, может быть вредным при избытке
тех самых миллиграммов, так как вместо активизации роста и более полной утилизации поступившего азота произойдет "перетягивание одеяла": вместо сахарозы и фенольных веществ (от которых, как известно, напрямую зависит качество ягод винограда) будут накапливаться разнообразные азотистые соединения (в том числе и вредные для человека либо ухудшающие потребительские свойства продукции). Именно такая ситуация достаточно
обычна на практике.
Также следует отметить,
что у сорта Регент мочевина сильнее снижала разнообразие вторичных метаболитов в листе, чем кальциевая селитра и сульфат аммония, а в полученном вине все апробированные формы азота (60 кг/га,
концентрация неизвестна) снижали такое разнообразие. Последнее, скорее всего, свидетельствует о слишком высокой концентрации источников азота (
не дозе, не надо путать эти понятия). К сожалению, имеем еще один пример статей, где авторы затрагивают физиологию винограда в ее прикладном аспекте, но упускают из виду важнейший показатель, характеризующий исследуемый фактор. И вот несколько иной
пример: мочевина в дозе 150 мг/растение эффективнее, чем 250 мг/растение,
увеличивала качество ягод винограда сорта "Tempranillo" за счет накопления антоцианов и других фенольных соединений. Хорошо? Хорошо! А о концентрации опять остается догадываться.
Стимуляция нитратом образования органических кислот, необходимых для усвоения аммония, во многом объясняет
усиление поглощения последнего источника азота в присутствии первого. Хотя аммоний сам по себе также стимулировал дыхание и образование при этом предшественников аминокислот, его комбинация с нитратом
была существенно эффективнее в этом отношении. С учетом ранее написанного про регуляцию поглощения источников азота, создается впечатление, что усиление дыхания при этом нужно для разных целей.
за антропоморфизм... А именно, в случае нитрата высвобождаются ресурсы, необходимые для интенсивного использования практически любого минерального азота при широком диапазоне доз (здесь именно их, а не концентраций), аммония - в первую очередь, для его обезвреживания с накоплением нетоксичных аминокислот.
3. Регуляция роста и развития растений. Оптимальная дозировка элементов минерального питания, в том числе азота, во многом определяется желаемым эффектом. Классический случай - формирование разнокачественных корневых систем. Так,
работает общее правило: корни ветвятся в богатых плодородных зонах субстрата и интенсивно растут в длину в бедных.
Специфика форм азота состоит в том, что мобильный в большинстве типов почв нитрат обычно стимулирует рост корней (как бы "догоняющих" подвижную область относительного плодородия), тогда как аммоний - их ветвление (здесь надо как можно лучше освоить именно данную область грунта, все равно ресурс никуда не вымоется). Специфический системный ответ растения на избыток азота, полученного как через корни, так и при опрыскивании листьев,
состоит в подавлении аминокислотами (глутамат, триптофан) и роста, и ветвления корней.
Смотрим с практической стороны. Активное ветвление корней винограда оптимально при получении саженцев или в загущенной посадке (в интенсивном винограднике или у желающих собрать все сорта, какие можно, любителей), также при заранее планируемой возможности пересадки. Активный рост корней в длину - если при нормальной плотности посадки и отсутствии потребности таскать кусты с места на место нам нужен засухоустойчивый виноградник, а также, возможно, и более зимостойкий. За счет меньшей зависимости водного режима растения от текущих осадков также можно ожидать меньшее растрескивание ягод. Торможение освоения почвы корневой системой вредно практически в любой ситуации, снижая устойчивость к самым разным неблагоприятным условиям. Очевидно, все вышеперечисленное имеет прямое отношение к
природному (органическому) земледелию, любимому одними хозяевами и порицаемому другими (может быть, последние просто что-то делают не так или пытаются применить органический подход там, где он в принципе не оптимален).
С учетом общности, по крайней мере,
одного из белков, участвующих в передаче внутри клетки сигнала разных минеральных солей, становится понятным единство действия последних, по крайней мере,
на рост и ветвление корней.
Белок NRT1.1, отвечающий не только за поглощение и распределение нитрата, но и за реакции растения на него,
сосредоточен преимущественно не в корнях, а в зачатках вегетативных и генеративных органов (опять арабидопсиса, что поделать, удобнее он винограда для такой работы). Поэтому можно предположить, что в определенных условиях нитрат будет стимулировать даже цветение, как это
показано на примере манго. Похожая ситуация и у винограда, хотя там результаты пока касаются плодоношения.
Показано позитивное влияние разнообразных источников азота на долю сохранившихся завязей, размеры ягод и вес семян винограда лабруска "Black Summer" при опрыскивании
в начале цветения и при окрашивании гроздей. Наилучший эффект был у 0,2 и 0,4% мочевины и аммиачной селитры, как и в случае действия на обмен веществ (см. выше).
Касаемо оптимальных концентраций. По винограду результатов очень мало (где бы именно сравнивали концентрации, а не дозы или не использовали одну концентрацию, а чаще дозу, взятую "с потолка"). Однако, например, 11; 16; 21 мМ калийная селитра по сравнению с 6 мМ
сама по себе угнетала рост чувствительного к засолению сорта пшеницы, хотя и стимулировала по сравнению с азотным голоданием. А ведь все названные уровни обычно считаются нормальными даже самими физиологами растений!
4. Общие свойства транспортеров нитрата определяют закономерности его использования.
Различные транспортеры нитрата,
определяя его поглощение и распределение в растении,
являются важнейшим фактором в реализации продукционного процесса и контроле величины эффективности использования азота. Поэтому, а также и из-за
роли названных белков в специфической реакции на разные уровни нитрата в среде, вполне понятна важность на практике принципиальных моментов, связанных с ними. Среди
них:
- наличие транспортеров, эффективных и даже достигаюющих насыщения при самых разных концентрациях нитрата (порядка 0,01 мМ; 0,1-0,5 мМ; 5-50 мМ и более), причем соответствующие
максимальные скорости поглощения иона при разнице его уровней на много порядков
отличаются лишь в разы,
- регуляция транспортной активности и, соответственно, эффективности использования азота многими факторами (стимуляция - светом, продуктами фотосинтеза и нередко самим нитратом; подавление - чаще всего продуктами восстановления нитрат и дальнейшего использования поступившего азота).
Даже сам нитрат в чрезмерных для данного транспортера концентрациях
отрицательно сказывается на соответствующей транспортной активности. В результате применение упомянутого источника азота при достаточно высоком содержании в рабочем растворе не просто снижает КПД усвоения, но и в принципе не дает заметить эффективного поглощения иона в более разбавленном виде. Весьма вероятно, что именно это является причиной живучести заблуждений о бесполезности малых доз нитрата, а с учетом общности принципов организации и регуляции транспортных систем - и других форм макро- и микроэлементов. В свете этих закономерностей ясны причины
классических фактов согласованности темпов поглощения нитрата и целого ряда процессов обмена веществ.
В малых концентрациях нитрат даже у винограда
вызывает появление высокоэффективного собственного транспортера. В результате резко растет КПД поглощения этого источника азота. Следовательно, растение обеспечивает свои потребности за счет более полного извлечения нитрата из почвы. А это уже
экологическая безопасность применения даже корневых подкормок. При опрыскивании листвы тем более важно не переборщить с дозой, так как весь избыток рано или поздно будет смыт в почву и далее с высокой вероятностью попадет в водоемы и грунтовые воды. Кстати сказать, интересно, не может ли привести технология интенсивного листового питания к эвтрофикации (условно, "цветению") водоемов? Торопиться с выводами здесь не надо, прошло мало времени, мы обычно поздно обнаруживаем, что наши "хотелки" оказываются "ящиком Пандоры", способным уничтожить все, что нам же дорого.
Помимо своих непосредственных функций в обеспечении азотного питания, транспортеры нитрата
имеют отношение к адаптации растений в неблагоприятных условиях среды. Возможно, именно с этим связаны известные факты увеличения нитратом устойчивости разных растений в разных ситуациях. Примеры:
-
солеустойчивость чувствительного сорта
риса (11,8 мМ калийная селитра),
ячменя (10 мМ калийная селитра) и
пшеницы (11; 16; 21 мМ калийная селитра по сравнению с 6 мМ),
- устойчивость к
затоплению риса (опрыскивание 0,5% калийной или 0,4% кальциевой селитрой) и
кукурузы (опрыскивание 1% калийной селитрой),
-
засухоустойчивость ячменя (10 мМ калийная селитра),
- и др.
Должен отметить, что
злаки и
пальмы имеют специфические особенности действия нитрата на устьица, связанные с мутациями в анионном канале замыкающих клеток SLAC1. С одной стороны, это и приводит к уменьшению транспирации под действием указанного иона уже в концентрациях 3-5 мМ, с другой - при тех же концентрациях должно подавляться и устьичное поглощение растворов, содержащих его. Также надо сказать, что в силу специфики поведения ионных каналов (вдаваться в вопрос не буду, это чистая молекулярная биология) здесь отчетливого плато эффекта нет, он нарастает, по крайней мере, до концентраций нитрата 50-100 мМ. Есть подозрение, что в случае поглощения 0,1-1,0 М нитрата работают не транспортеры, а именно каналы. Поэтому кривая зависимости скорости поглощения от концентрации иона будет в этом диапазоне иметь именно такой вид, какой приведен глубокоуважаемым Евгением Анатольевичем (ссылка?). Другой вопрос, что для большинства культурных растений это уже адаптация к засолению.
Выводы.
1. Накопление избытка азота практически всегда подавляет дальнейшее поглощение его источников, даже способного к хранению в вакуолях нитрата. Природу не обманешь, возможности растения запасать азот лимитированы на генетическом уровне.
2. Для эффективности азотного питания и количественной его стороны имеют значение, например, освещённость растений и возможность использовать углеродные запасы. Первое означает преимущество подкормок утром и в начале дня, но никак не ночью, когда ослаблен даже транспорт, например, нитрата в отдельные клетки листа или корня. Второе - что разгон растений за счёт интенсивного азотного питания требует, например, достаточно большого количества многолетней древесины. Для лишенного её сеянца такой же режим азотного питания, как минимум, окажется бесполезен.
3. Процессы поглощения и дальнейшего использования азота скоординированы так, чтобы не было накопления токсичных его форм, и синхронно меняются при действии факторов среды. Попытки нарушить такое соответствие применением усиливающих кутикулярный транспорт вспомогательных веществ, как минимум, могут неблагоприятно сказаться на качестве урожая. Как максимум, растение будет болеть из-за отравления азотом.
4. При работе с высокими концентрациями источников азота мы не можем оценить весь потенциал их возможного хозяйственно полезного действия на устойчивость растений, их вегетативный рост, цветение, плодоношение и качество урожая. Отсюда то обстоятельство, что сейчас требуется приложить усилия для поиска соответствующих статей именно на винограде. Но то, что известно для арабидопсиса, внушает оптимизм и показывает, что есть, к чему стремиться.
С уважением, Андрей
