Поглощение источников азота листом.
За и против.
Часть 5. Физико-химическая сторона вопроса.
1. Ионообменные свойства кутикулы. Не слишком ли много внимания? Традиционно активно рассматривается вопрос
сорбции различных ДВ, в том числе ионных форм макро- и микроэлементоов, на ионогенных группах в составе кутикулы. Исходная мысль была достаточно тривиальная: если что-то взаимоодейсттвует с кутикулой, то, соответственно, не может проникнуть внутрь листа, или проникает неэффективно, или
требуется большая концентрация для того, чтобы насытить "центры связывания" кутикулы и обеспечить проникновение в лист избытков агрохимиката. Вполне очевидно также, что сорбция ДВ на кутикуле существенно изменяет концентрацию ДВ в растворах, омывающих клетки листа, а это может сказаться на результатах обработки. Посему рассмотрим вопрос внимательно...
У кутикулы лука
показано связывание катионов кальция и, в меньшей степени, анионов хлорида, прежде всего, поверхностью устьиц, тогда как мочевина взаимодействовала с кутикулой значительно слабее и потому быстрее проходила сквозь нее. Примерно такого рода данные и позволили укрепить точку зрения, что мочевина перспективнее как источник азота, усваиваемый листом, чем ионы нитрата и аммония.
Несмотря на то, что разные минеральные формы азота (и тем более разные ДВ, потенциально наносимые на лист) имеют противоположный знак заряда, в определенных условиях кутикула связывает как катионы, так и анионы. Отсутствие избирательности по данному критерию наблюдается при рН, соответствующем так называемой
изоэлектрической точке (ИЭТ), когда кутикула в целом нейтральная из-за равновесия разноименных зарядов. Экспериментально
определено, что ИЭТ кутикулы листьев померанца составляет 3,15, абрикоса - 3,45, груши - 2,90. Такие значения рН явно слишком кислые, чтобы быть реально используемыми при опрыскивании. Обычно рН применяемых на практике растворов много выше ИЭТ,
кутикула в этих условиях заряжена отрицательно и
связывает катионы, свободно пропуская анионы. По-видимому, именно с этим связано то, что упоминал в своем предыдущем сообщении: в листе на уровне транспортеров ионов через мембрану клеток есть адаптация к поглощению и распределению аниона - нитрата, но не катиона - аммония.
Далее были обнаружены
некоторые неожиданности, касающиеся сорбции ДВ на заряженных компонентах кутикулы. На примере покрова листьев померанца, барвинка, лавровишни, плюща, форзиции средней
показано, что связывание воды полярными карбоксильными группами кутина предваряет ее прохождение внутрь листа и необходимо для названного процесса. Аналогично можно предположить, что в долговременной перспективе сорбция кутикулой ионов нужна для их всасывания. Это становится особенно понятно, если учесть вероятность смыва с листа подкормки в полевых условиях.
В ряде работ сорбция ДВ кутикулой прямо рассматривается как условие их дальнейшего проникновения в лист. Такой момент показан для кутикулы
плодов томата, листьев лука, померанца, абрикоса, груши и др. При этом вполне вероятно чередование сорбции и десорбции по ионообменному механизму, что и обеспечивает постепенное проникновение внутрь листа катионов, таких как аммоний. В
одной из статей преобладание "центров связывания" катионов на внутренней поверхности кутикулы рассматривается как причина того, что ионы кальция мигрировали преимущественно от наружной поверхности внутрь органов. То же, вероятно, относится к калию, магнию или аммонию, а с учетом взаимодействия разноименных зарядов касается и противоионов, например, нитрата, (гидро)фосфата или сульфата. В итоге имеем ценную
приспособительную реакцию, которая препятствует вымыванию элементов минерального питания из листьев или плодов, но способствует их поглощению. Однако, в другой статье
показано отсутствие избирательности связывания ионов кальция и хлорида с разными сторонами изолированной кутикулы плодов томата несмотря даже на разницу в удельной поверхности гладкой наружной и шероховатой внутренней стороны. Такое противоречие может быть связано как с разницей объектов (к примеру, стадии созревания плодов у томата), так и с особенностями условий эксперимента. В частности,
показано отсутствие стабильного градиента заряда в толще кутикулы листьев померанца, абрикоса и груши, который определялся, прежде всего, рН среды. Очевидно, что при различии указанного параметра по разные стороны кутикулы будет асимметрия транспорта и связывания соответствующих ионов, что и было выявлено в отдельных экспериментах. Следует также отметить, что адаптация листа к поглощению, а не вымыванию элементов питания может быть реализована на уровне морфологии поверхности, специфики транспортеров в клеточных мембранах, особенностей распределения и метаболизма тех или иных соединений и т.д., вовсе не затрагивая распределение зарядов в кутикуле.
Рассмотренные примеры наглядно показывают, насколько может быть ошибочной слишком поспешная интерпретация того или иного параметра, характеризующего кутикулу в условиях конкретного эксперимента. Складывается впечатление, что наличие заряженных "центров связывания" на поверхности листа - "вещь в себе", которая просто есть и не оказывает существенного влияния на транспорт ионов. Это тем более так, что невозможен отдельный транспорт анионов и катионов: при этом быстро создается двойной электрический слой на кутикуле либо мембране клеток, а дальнейший перенос через эти структуры возможен лишь с сохранением равновесия зарядов (суммарной электронейтральности). Однако снова и снова вылезает предположение, что нейтральные молекулы вроде мочевины имеют преимущество в транспорте через кутикулу перед ионами типа нитрата и аммония. Имеют. В самом начале взаимодействия с поверхностью кутикулы или в каких-то экзотических условиях. В долговременной перспективе в реальном листе, по-видимому, роль связывания ионов кутикулой сильно преувеличена. Либо, возможно, сам вопрос сформулирован неверно: влияние есть, но проявляется не прямо, а косвенно.
2. Регуляция проницаемости кутикулы ионами. Как уже упоминал в одном из предыдущих сообщений, сорбция ионов на заряженных группах в составе кутикулы приводила к формированию либо раскрытию дополнительных нанопор. Это показано для ионов водорода и кальция в случае
листа померанца, калия - безустьичных образцов кутикулы
листьев идезии, плюща, померанца, лавровишни, груши, тополя и плодов перца, томата. В последнем случае были эффективны карбонат и ацетат калия (разница в поглощении воды в разы, а у идезии в 35 раз!), но практически не влияли сульфат, нитрат и хлорид калия, карбонаты лития и аммония, что, вероятно, связано с разной степенью экранирования заряда катионов анионами кислот разной силы. "Первую скрипку" в такой регуляции проницаемости играют именно катионы, так как в слабокислой и нейтральной среде в кутикуле
ионизированы, в основном, карбоксильные группы, а в слабощелочной - и фенольные группы.
К сожалению, пока практически не освещена роль взаимодействия с катионами в различающихся по рН средах в увеличении смачиваемости поверхности замыкающих клеток устьиц водой. Между тем, такой механизм может иметь определяющее значение для самой возможности капель воды проникать в исходно несмачиваемые водой устьичные щели. Фактически, "солевая активация" в данном случае заменяет ПАВ. Известны примеры такого рода для гидрофосфата калия на листьях
бобов и яблони, аэрозоля натриевой селитры -
бузины черной, сульфата аммония и натриевой селитры -
фиалки полевой и мари белой. К сожалению, во всех этих случаях использованы высокие концентрации ДВ вплоть до насыщенных растворов, получающихся при поглощении солями водяного пара. Соответственно, например,
имело место образование дендритных кристаллов в устьичной щели. Понятно, что на практике все это чревато ожогами листьев. Между тем, если мое предположение правильно, достаточно "физиологических" концентраций самих ионных форм элементов минерального питания. Но экспериментов, которые бы подтверждали или опровергали данное предположение, мной не найдено
.
Также хотелось бы отметить одно практически важное свойство, вытекающее из особенностей взаимодействия ионов с поверхностью листа. Количество "центров связывания", приходящихся на единицу поверхности кутикулы, весьма ограничено, особенно с учетом преобладания на ее поверхности неионогенных соединений типа воска. Это означает, что при достаточно малой концентрации ионов произойдет насыщение, и количество нанопор & смачиваемость устьичныъх щелей достигнут своего предела. Дальнейшее повышение концентрации ДВ в этом смысле ничего не даст, тогда как вероятность неблагоприятных побочных эффектов будет возрастать. Кстати говоря, в одном из экспериментов увеличение концентрации хелата железа с 2,5 до 5 ммоль*л-1
снизило константу скорости его проникновения в листья фасоли более чем вдвое. Не уверен, что это тот самый пример, что надо, но, по крайней мере, очень близко.
3. Структура кутикулы и ее проницаемость. Само вещество кутикулы может иметь разную структуру при одинаковом составе. Например, полярные и ионогенные примеси могут быть равномерно распределены (практически не взаимодействуя с ионами в капельно-жидком растворе на поверхности листа), приурочены к поверхности (увеличивая смачиваемость ее водой) или образовывать стенки нанопор в толще кутикулы (которая при этом станет водопроницаемой). Различные факторы могут влиять на указанный момент. Как показали эксперименты, по крайней мере, частично такое предположение правильно.
Длительное хранение изолированной кутикулы листьев померанца при 8°C
резко снижало ее проницаемость для воды, что авторы связывают с устранением дефектов структуры воскового слоя, которые как раз и служат "воротами" для воды и водных растворов, возможно, являясь нанопорами. На примере кутикулы листьев барвинка большого, лавровишни, форзиции средней, померанца, плюща
показана фазовая перестройка воскового слоя в диапазоне температур 30-39°C, после наступления которой проницаемость для воды увеличивается на один-два порядка. Следует отметить, вдали от условий такой перестройки кутикулы ее проницаемость для ионов достаточно стабильна. Это
показано на большой выборке образцов изолированной безустьичной кутикулы листьев померанца в широком диапазоне условий (температура 15-35°C, влажность воздуха 50% и 90%, ФАР 500–1000 мкмоль квантов*м-2*с-1). Как видим, в данном случае при отсутствии устьиц возможности для адаптивной пластичности резко снижены.
Практически приведенные примеры могут иметь значение лишь в экстремальных условиях среды. У листопадных растений, к которым относится и виноград, резкое увеличение проницаемости кутикулы может быть связано с действием жары, а у вечнозеленых также может быть скачкообразное снижение эффективности поглощения ДВ в условиях низких положительных температур. В данном случае практически отсутствует возможность что-то менять за счет параметров раствора, наносимого на листья, а это делает описанный механизм мало интересным. Тем не менее, структуру и свойства кутикулы можно перестроить за счет "программирования" условиями среды на стадии развития листьев. Например, высокая влажность воздуха во время роста листьев гигрофитного замиокулькаса Zamioculcas zamiifolia (Lodd.) Engl.
увеличивала проницаемость их кутикулы, особенно нижней стороны. У засухоустойчивого плюща Hedera helix L. такого
не наблюдалось.
4. Действие ПАВ. Теоретическая сторона вопроса подробно рассмотрена
здесь. Фактически, речь идет о "смыве" части кутикулы, ее "разрыхлении" или уменьшении поверхностного натяжения капель жидкости и тем самым лучшем затекании ее в устьичные щели. Неионные сурфактанты
резко увеличивали водопроницаемость кутикулы листьев померанца и груши, частично растворяя воск. Плюс этого механизма - его эффективность и для безустьичной поверхности. Минус очевиден - повреждающее действие. Устьичная проницаемость кутикулы листьев груши
была усилена ПАВ тем эффективнее, чем сильнее они снижали поверхностное натяжение. Интересно, что даже при этом в транспорте жидкой воды внутрь листа участвовало 0,5...4,5% от общего количества устьиц. Это указывает на сохранение их функциональной специализации, которая могла определяться составом и структурой кутикулы. Например, на внешней поверхности замыкающих клеток тех устьиц, что специализированы для поглощения воды, может быть больше полярных и даже ионогенных групп, а ее микроструктура - способствовать смачиванию.
На примере кутикулы плодов яблони
показано, что сурфактанты действуют на перенос ионов кальция, взаимодействуя с кутином и полисахаридами. При этом, что интересно, действие разных веществ отличалось. Armoblen T25 и Твин Tween 20 стимулировали кутикулярный транспорт 45Ca2+, Agral LN мало влиял на него, а Armoblen NPX действовал негативно. Почему так, остается непонятным.
На хлопчатнике
показана результативность опрыскивания калийной селитрой с ПАВ (Penetrator Plus и X-77) как способа обогащения листьев и черешков калием, тогда как азот, по существу, оказался вне внимания авторов. Понятно, что нитрат поступал как противоион. В принципе, эту работу можно рассматривать как доказательство того, что с помощью ПАВ снимается, по крайней мере, часть ограничений на попадание в листья минеральных форм азота.
Выводы.
1. Наверное, главным выводом из всего вышеперечисленного является то, что сами ионные формы элементов минерального питания, в частности, нитрат или аммоний, способны менять свойства поверхности листа, взаимодействуя с компонентами кутикулы и делая ее смачиваемой водой/проницаемой для последней.
2. В итоге сорбции ионов на кутикуле снимается основной запрет на проникновение через устьица жидких водных растворов - водоотталкивающие свойства поверхности замыкающих клеток. Причем, в отличие от действия экстремального рН, в данном случае появление заряженных групп на кутикуле весьма устойчиво и, в отличие также от применения ПАВ, не требует для изменения ее свойств таких условий, которые бы повреждали лист. Необходимо отметить, что эффективно увеличить смачиваемость можно лишь у меньшей части устьиц, тогда как остальные сохраняют свою функцию "ворот" для воздуха.
3. По-видимому, комбинация питательных солей по разным причинам может действовать на кутикулу сильнее, чем моносоли. Например, если к соли сильной кислоты и сильного основания (нитрат калия; ионы взаимодействуют друг с другом сильнее, чем с поверхностью кутикулы) добавили соль слабой кислоты и сильного основания (карбонат калия; создается эффект "омыления" компонентов кутикулы) или наоборот (нитрат железа, например). Плюс сдвиг рН в некоторых, совместимых с нормальной жизнью листа пределах, также может способствовать появлению заряженных групп на поверхности кутикулы.
4. Несмотря на действие как сурфактантов основных ДВ в питательном растворе, ПАВ все равно эффективны, что проявляется в еще большей степени смачивания листа и проникновения в него элементов минерального питания. Но это уже очевидно. Как и то, что любые ПАВ действуют как моющие средства, смывая, по крайней мере, часть кутикулы и увеличивая опасность для растения засухи или патогенов. С наличием минимального времени, необходимого для последующего восстановления кутикулы, связан феномен "залюбить растение". Если слишком часто опрыскивать растворами с ПАВ, например, с целью подкормки, повреждения поверхности начинают накапливаться и в итоге дело кончается "ожогами" листьев. Или какими-либо болячками. Даже если слишком частые обработки были с целью защитить растение.
5. Ну и, конечно, хорошо видна неоднозначность даже имеющихся фактов. Грубо говоря, можно легко придти к достоверному ответу на вопрос, сорбируется ли ДВ кутикулой, но практически рневозможно без дополнительных данных сказать, к какому результирующему изменению всасывания, притом именно в данных условиях, это приведет.
С уважением, Андрей
