Эффект корневых выделений культурных растений на рост сорных видов

Ольга Демина,
Юлия Ларикова, кандидат биологических наук,
Михаил Кондратьев, доктор биологических наук,
Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К. А. Тимирязева (Москва)
«Природа» №1, 2018

Каждое растение, выделяя различные продукты обмена, создает вокруг себя специфическую среду, которая для соседних организмов может оказаться токсичной, благоприятной или нейтральной [1]. Биогенные выделения имеют исключительно важное значение в химическом взаимодействии различных организмов (от микробов до высших растений), называемом аллелопатией (от греч. ἀλλήλων — ‘взаимно’ и πάθος — ‘страдание’), и на различных уровнях их существования. Биологам давно известно, что аллелопатия лежит в основе эволюции видов, возникновения, развития и смены растительных группировок, а также играет важную роль в почвообразовательном процессе и даже в некоторых биосферных явлениях [2, 3]. Экспериментальное изучение аллелопатических взаимоотношений полевых культур важно как для понимания причин негативных явлений (почвоутомление, аутоинтоксикация), так и для выявления потенциально полезных для человека свойств культурных и дикорастущих видов.

Выделения живых высших растений принято делить на активные и пассивные, а их отмершие ткани (корневые волоски, кора, опавшие листья, растительные остатки и пр.) относить к посмертным [2, 4]. Наиболее интересны активные выделения (аллелохимикалии) высших растений, в частности — корневые экссудаты, которые, попадая в окружающую среду, могут влиять на произрастающих по соседству представителей и своего, и других видов. Например, корни многих древесных пород (дуба, клена, ясеня и т.д.) выделяют токсины, подавляющие развитие как собственного подроста, так и однолетних трав, а распространение корневой системы ореха черного (Juglans nigra) и эвкалипта (Eucalyptus) можно проследить по отсутствию травянистого покрова. Свойство корневых экссудатов некоторых растений подавлять рост конкурентов особенно ярко выражено у инвазивных видов, стремительно захватывающих новые территории [5].

Очень сложные и многообразные взаимоотношения складываются у растения с обитателями ризосферы (участка почвы, прилегающего к корням): почвенные микроорганизмы могут снабжать его питательными веществами, защищать от паразитов, разрушать токсические вещества и т.д. [6]. Особенно это выражено у древесных пород, имеющих микоризу (греч. μύκης — ‘гриб’ и ρίζα — ‘корень’), и у некоторых растений семейства бобовых (Fabaceae), на корнях которых образуются клубеньки с азотфиксирующими бактериями рода Rhizobium. Установлено, что на формирование симбиоза с клубеньковыми бактериями, способными связывать атмосферный азот и обеспечивать растение азотным питанием, влияют фенольные соединения экссудата корня, которые активируют гены, необходимые для запуска последовательных стадий взаимодействия растения-хозяина с микросимбионтом. Способность преобразовывать труднодоступные элементы в усвояемую для растений форму обнаружена у выделительной системы корня кукурузы, гороха, люпина, сахарной свеклы и других культурных и диких видов [7].

В растительных и микробных выделениях выявлены практически все известные в химии естественные органические соединения. Среди них отмечены вещества вторичного происхождения (терпиноиды, стероиды, органические кислоты, фенольные соединения, кумарины, алкалоиды, танины, дубильные вещества, витамины, фитонциды), соединения, образующиеся в процессе метаболизма, гидролиза, автолиза растительного и микробного происхождения (белки, аминокислоты, полипептиды, пурины, нуклеотиды), продукты минерализации и гумификации (жирные кислоты с длинной цепью, нафтохиноны, антрахиноны, сложные хиноны, коричная кислота и ее производные) [8]. Эти соединения воздействуют на физиологические функции растений на всех структурных уровнях организации и на всех этапах онтогенеза [10]. На молекулярном уровне это может проявляться, например, в накоплении в клетке активного кислорода под действием катехина и других фенолов и хинонов. На клеточном и тканевом уровнях — это и блокирование ферментов запасных веществ, и влияние на митоз (кумарины, транс-коричная кислота, скополетин), и изменение величины устьичной щели листа (хлорогеновая кислота).

Изучение аллелопатической активности растительных выделений усложняется тем, что на количестве и качестве химических веществ, образуемых растением, сказываются и генетические особенности растений, и условия окружающей среды [9]. Состав и концентрация аллелохимикалий в тканях растения различаются в зависимости от возраста, локализации в органах и видовой принадлежности [10], при этом в зависимости от климатических и эдафических (почвенных) условий произрастания аллелопатический потенциал растения будет меняться.

Аллелопатия в сельском хозяйстве

В сельскохозяйственных фитоценозах культурные растения взаимодействуют не только между собой (при совместном выращивании на одной площади), но и с сорными видами, при этом аллелопатический потенциал растений в поле или саду зависит от применяемой агротехники. В довольно устойчивых природных ценозах активность диких видов значительно выше, чем у давно введенных в культуру сородичей. Тем не менее способность подавлять прорастание семян и развитие проростков выявлена при биотестировании аллелохимикалий и у многих культурных видов, например, сорго двуцветного (Sorghum bicolor), пшеницы мягкой (Triticum aestivum), подсолнечника однолетнего (Helianthus annuus), ржи посевной (Secale cereale) и др. [11, 12].

Особое внимание ученые уделяют поиску вторичных метаболитов культурных растений, ингибирующих рост сорных видов. Американские исследователи, работающие в рамках программы USDA-ARS (Службы сельскохозяйственных исследований при Министерстве сельского хозяйства США), выявили из 16 тыс. сортов риса 412 сортов, которые угнетают рост распространенного сорняка рисовых плантаций гетерантеры илистой (Heteranthera limosa) и 145 сортов — аммании шарлаховой (Ammania coccinea). В Египте установили, что 40 из 1000 сортов риса ингибируют рост ежовника обыкновенного (Echinochloa crusgalli) и сыти разнородной (Cyperus difformis).

Оказалось, что некоторые сельскохозяйственные растения, обладающие аллелопатической активностью, могут подавлять рост сорняков, устойчивых даже к химическим гербицидам [11, 13]. В связи с этим в последние годы возрос интерес к выявлению различных сортов с подобными свойствами и поиску альтернативного способа борьбы с сорняками [11, 14]. Выяснилось, что аллелохимикалии могут ингибировать прорастание семян, менять барьерные функции клеточных мембран, нарушать процессы поглощения питательных веществ и воды, влиять на баланс гормонов, на экспрессию генов и синтез белков, на фотосинтез и дыхание [5, 15]. Открытие природных аллелопатических соединений позволит снизить использование синтетических гербицидов или даже заменить их на средства естественного происхождения (вегетативной массы растений, обладающих аллелопатическими свойствами, или водных вытяжек из них) для контроля сорных растений в агросистемах. Кроме того, аллелохимикалии послужили моделями для синтеза новых гербицидов: например, цинметилин, применяемый на плантациях многих зерновых культур, был разработан на основе 1,4-цинеола, компонента эфирных масел различных ароматических видов растений, а мезотрион, предназначенный для контроля сорняков в посевах кукурузы, — аналог лептоспермона миртовых растений, в частности, красивотычиночника лимонного (Callistemon citrinus) [16].

Мы уже упоминали об одном из проявлений аллелопатии — почвоутомлении. К нему могут привести разные причины — истощение запасов питательных элементов, изменения физического состояния и структуры почвы при непрерывном выращивании монокультуры на одной площади, но в большей степени — формирование неблагоприятных химических условий в зоне корней [3]. Негативное действие при этом может проявляться на росте растений как своего вида (аутоинтоксикация), так и других культур. В восточных странах выявлена аутоинтоксикация при монокультуре чая (Camellia sinensis), томата (Solanum lycopersicum), спаржи (Asparagus officinalis), мангольда (Beta vulgaris), казуарины (Casuarina equisetifolia) [17]. Минимизация вреда хозяйственной деятельности от таких проявлений аллелопатии — важная задача, стоящая перед исследователями и агрономами.

Особенности изучения аллелопатии

В экспериментах по выявлению аллелопатичесих свойств растений необходимо обращать внимание на следующие факторы: способ и продолжительность выделения аллелохимикалий в окружающую среду; ответную реакцию целевого вида (реципиента) на действие одного (или нескольких) соединений, выделяемых растением-донором; устойчивость и активность продуктов их деградации; прямое или косвенное действие аллелохимикалий на целевое растение (они могут влиять на биотические и абиотические факторы среды обитания) [18]. Кроме того, необходимо помнить, что лабораторные биотесты не доказывают наличия аллелопатии в естественных условиях, а только допускают ее возможность.

Выявление аллелопатических взаимодействий начинается, как правило, с простых, недорогих, быстрых и надежных (хорошо воспроизводимых) биотестов, при этом для их проведения важно, чтобы целевые растения были достаточно чувствительны, а статистически значимые результаты — применимы к широкому спектру видов-мишеней [20]. Существует уже множество биотестов, и для каждого из них разрабатываются конкретные требования: подбираются доноры аллелохимических агентов и соответствующие виды растений, на которые направлена фитотоксическая активность, определяются состав сред, стадии развития тестируемых объектов, параметры, по которым оценивается аллелопатический потенциал, и т.д.

При проведении биотестов необходимо соблюдать определенные условия. Во-первых, важно избегать взаимодействия исследуемых соединений с компонентами среды и не допускать заражения микробами, которые могут, с одной стороны, вызвать деградацию испытуемых веществ, с другой, проявить активность собственных компонентов и т.д. Для соблюдения этих условий мы использовали в экспериментах исключительно стерильные субстраты, протравленные семена, дистиллированную воду.

Растения люпина в стеклянных воронках для отбора раствора корневых выделений

Во-вторых, для биотестов желательно использовать в качестве доноров виды с высоким уровнем аллелопатического потенциала, поэтому для исследований мы выбрали такие заведомо активные культуры, как люпин белый (Lupinus albus) сорта «дега», люпин узколистный (L. angustifolius) сортов «радужный» и «кристалл» и рожь посевная сортов «Татьяна» и «Московская 12».

Для получения образцов корневых выделений растения-доноры выращивали в специально подготовленных, наполненных кварцевым песком воронках [20]. Через 14 дней роста растений в контролируемых условиях избыток воды, вытекающий из воронок при поливе и содержащий корневые выделения, отбирали для дальнейших исследований.

Очевидно, что в совместных посевах концентрация аллелопатических соединений в корневых выделениях зависит от густоты всех растений (и доноров, и реципиентов), поэтому в экспериментах мы проверяли влияние аллелохимикалий при различных соотношениях тех и других растений. Для этого полученные водные растворы, содержащие корневые выделения растений-доноров, упаривали на ротационном вакуумном испарителе до определенного объема.

В-третьих, при биотестировании важно наличие различных видов-реципиентов с неодинаковой чувствительностью, т.е. использование как традиционных тест-растений, так и представителей дикой флоры. В ряде опытов мы оценивали влияние корневых выделений люпина и ржи на проростки сорных растений: ярутки полевой (Thlaspi arvense) и щирицы запрокинутой (Amaranthus retroflexus). Морфологические показатели целевых растений оценивались через семь дней эксперимента.

У растений ярутки, выращенных на растворе корневых выделений люпина белого, аллелохимикалии вызвали угнетение роста корневой системы на 51% по сравнению с контролем, при этом у тестируемых растений наблюдалось характерная особенность роста корешка — «спиральное» закручивание. Рост и развитие надземной части, наоборот, в присутствии корневых выделений стимулировались. В опытах с растворами, полученными при выращивании люпина узколистного, также замедлялся рост корешка как у ярутки (21%), так и у щирицы (36%). Аналогичные результаты были получены в опытах с водными растворами корневых выделений ржи сорта «Татьяна»: у проростков щирицы при измерении на седьмой день развития корешки оказались короче на 35% по сравнению с контролем, а гипокотиль крупнее.

Проростки ярутки полевой, выращенные на воде (контроль) и на растворе корневых выделений люпина белого. Видно, что аллелохимикалии люпина ингибировали рост корня ярутки, который не только вдвое короче по сравнению с контролем, но скручен (см. фото внизу), и стимулировали развитие надземной части сорняка

В экспериментах, в которых подсолнечник и люпин выращивали в течение 14 дней в чашках Петри совместно с проростками ярутки полевой, сравнивали морфологические показатели обоих видов. Десятикратное увеличение доли проростков люпина привело к удлинению основного корня ярутки, при этом на количестве боковых корешков влияние корневых выделений люпина, по-видимому, не сказалось. Присутствие растений ярутки в разных соотношениях никак не отразилось на росте корней люпина. При совместном проращивании подсолнечника с яруткой в соотношении 3:10 привело к слабому ингибированию ее корней, но даже небольшое увеличение доли подсолнечника (5:10) вызвало обратный эффект — корни ярутки стали длиннее по сравнению с вариантом, в котором соотношение этих растений было 1:10. Интересно, что в присутствии подсолнечника корневая система испытуемых растений скручивалась в спираль так же, как и при биотестировании водных растворов.

Морфологические особенности роста корней ярутки в присутствии подсолнечника (вверху) и люпина узколистного. В первом случае аллелохимикалии вызвали скручивание корня в спираль, во втором — увеличение количества корневых волосков

Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что растворы корневых выделений двух видов люпина (узколистного и белого) и ржи обладают аллелопатическим действием на рост других растений. Кроме того, проростки сорных растений (ярутки и щирицы) при их совместном выращивании с люпином и подсолнечником оказались чувствительны к наличию в среде их корневых выделений. Сравнение результатов биотестирования растворов и совместных посевов разных видов растений показало, что эффект от аллелохимикалий может быть различным как по количеству, так и по качеству.

К сожалению, пока молекулярные механизмы аллелопатии изучены недостаточно, несмотря на важность этого явления в формировании естественных и сельскохозяйственных фитоценозов. Правда, сравнительно недавно группа немецких и французских ученых попыталась выяснить, как действуют циклические гидроксамовые кислоты, выделяемые некоторыми видами травянистых растений и обладающие аллелопатическим действием [21]. Оказалось, что они подавляют работу эволюционно консервативного класса ферментов гистоновых деацетилаз, что непосредственно влияет на механизм модификации хроматина в клетках целевого растения и приводит в конечном итоге к нарушению его роста.

Литература
1. Кондратьев М. Н. Взаимосвязи и взаимоотношения в растительных сообществах: учебное пособие для подготовки магистров по направлению 35.03.04 «Агрономия» / Ред. М. Н. Кондратьев, Г. А. Карпова, Ю. С. Ларикова. М., 2014.
2. Экспериментальная аллелопатия. Ред. A. M. Гродзинский. Киев, 1987.
3. Косолап Н. П. Аллелопатия — причина многих последствий  // Зерно. 2008; 9: 46–51.
4. Chick T. A., Kielbaso J. J. Allelopathy as an inhibition factor in ornamental tree growth: Implications from the Literature // J. Arboric. 1998; 24(5): 274–279. (275)
5. Bais H. P. Vepachedu R., Gilroy S. et al. Allelopathy and exotic plant invasion: from molecules and genes to species interactions // Science. 2003; 301 (5638): 1377–1380. DOI: 10.1126/science.1083245.
6. Uren N. C. Types, amounts and possible functions of compounds released into the rhizosphere by soil-grown plants // The Rhizosphere: Biochemistry and Organic Substances at the Soil—Plant Interface / Pinton R., Varanini Z., Nannipieri P. (eds). N.Y.; Basel, 2000; 19–40.
7. Khorassani R., Hettwer U., Ratzinger A. et al. Citramalic acid and salicylic acid in sugar beet root exudates solubilize soil phosphorus // BMC Plant Biology. 2011; 11: 121. DOI: 10.1186/1471-2229-11-121.
8. Райс Э. Л. Аллелопатия. М., 1978.
9. Karst J., Gaster J., Wiley E., Landhäusser S. M. Stress differentially causes roots of tree seedlings to exude carbon // Tree Physiol. 2017; 37(2): 154–164. DOI: 10.1093/treephys/tpw090.
10. Qasem J. R., Foy C. L. Weed allelopathy, its ecological impacts and future prospects: a review // J. Crop Prod. 2001; 4: 43–92. DOI: 10.1300/J144v04n02-02.
11. Duke S. O. Proving allelopathy in crop—weed interactions // Weed Science. 2015; 63(1): 121–132. DOI: 10.1614/WS-D-13-00130.1.
12. Inderjit S. Soil: Environmental effects on allelochemical activity // Agron. J. 2001; 93(1): 79–84. DOI: 10.2134/agronj2001.93179x.
13. Belz R. G. Allelopathy in crop / weed interactions — an update // Pest. Manag. Sci. 2007; 63: 308–326. DOI: 10.1002/ps.1320.
14. Nikneshan P., Karimmojeni H., Moghanibashi M. et al. Allelopathic potential of sunflower on weed management in safflower and wheat // AJCS. 2011; 5(11): 1434–1440.
15. Weir T. L., Park S.-W., Vivanco J. M. Biochemical and physiological mechanisms mediated by allelochemicals // Curr. Opin. Plant Biol. 2004; 7(4): 472–479. DOI: 10.1016/j.pbi.2004.05.007.
16. Bhowmik P. Inderjit. Challenges and opportunities in implementing allelopathy for natural weed management // Crop Protection. 2003; 22(4): 661–671. DOI: 10.1016/S0261-2194(02)00242-9.
17. Ben-Hammouda M., Kremer R. J., Minor H. C. et al. A chemical basis for differential allelopathic potential of sorghum hybrids on wheat // J. Chem. Ecol. 1995; 21(6): 775–786.
18. Rovira А. Plant root exudates // Bot. Rev. 1969; 35(1): 35–57. DOI: 10.1007/BF02859887.
19. Рябушкина Н. А. Биотесты для скрининга аллелопатического потенциала диких и культурных видов растений // Биотехнология. Теория и практика. 2005; 5: 5–15.
20. Лобков В. Т., Коношина С. Н. Аллелопатические свойства почвы как фактор плодородия // Сельскохозяйственная биология. 2004; 3: 67–71.
21. Venturelli S., Belz R. G., Kämper A. et al. Plants release precursors of histone deacetylase inhibitors to suppress growth of competitors // The Plant Cell. 2015; 27(11): 3175–3189. DOI: 10.1105/tpc.15.00585.