На пути к этой цели многое уже сделано. Познаны некоторые важные звенья химической «технологии» бактерий, выделен и чудодейственный катализатор азотфиксации — фермент нитрогеназа, расшифровано его строение. Сейчас в ряде стран предпринимаются смелые попытки включения методами генной инженерии кодирующего этот катализатор гена прямо в хромосомный набор клеток хлебных злаков, чтобы сделать их самих способными поглощать атмосферный азот или по крайней мере «научить» симбиозу с клубеньковыми бактериями. Но эти попытки пока скорее относятся к области научной фантастики. Рано еще отказываться от бобовых и сдавать их в исторический музей земледелия. А посему обратимся лучше к тому реальному и самому полезному для человека симбиозу, в котором они участвуют.
Все начинается с проникновения бактерий в корневой волосок растения. Дотоле очень энергично передвигавшиеся с помощью жгутиков, они, войдя в контакт с волоском, вдруг перестают двигаться, одевают себя слизью и, готовясь к штурму корешка, образуют так называемую инфекционную нить. Через некоторое время покровы корешка в месте прикрепления этой нити разрушаются, и бактерии беспрепятственно вторгаются во внутренние ткани, вызывая их разрастание в виде клубеньков. Утратив жгутики и размножившись делением, все они через две-три недели после об-разовапия клубенька превращаются в более крупные клетки — бактероиды. В пору цветения растения-хозяина бактероиды заполняют собой весь клубенек.
Если разрезать зрелый клубенек, то внутри он окажется розовым благодаря содержащемуся в бактериях пигменту. По составу " он очень близок гемоглобину животных и назван здесь леггемоглобином. Он и фиксирует газообразный азот. Все попытки обнаружить леггемоглобин в незаражеиных корешках и изолированной культуре ризобий дали отрицательные результаты. Он оказался продуктом их симбиотического союза. Что же касается основного активного начала азотфиксации — фермента нитрогеназы, то его несут с собой бактериальные клетки.
В однолетних бобовых клубеньки функционируют один сезон, в многолетних — несколько лет подряд. Но в конце концов и они стареют и отмирают. Старые клубеньки становятся темно-бурыми и дряблыми. При надрезе из них вытекает водянистая слизь и они превращаются в сплошную кашу. Никаких бактероидных клеток в них уже не обнаружить, все они разрушены.
Тут перед учеными встает основной вопрос: как у бактероидов обстоит дело с продолжением рода? Способны ли они размножаться и замкнуть жизненный цикл клубеньковых бактерий?
Мнения на этот счет резко расходятся. Большинство специалистов считает, что, как это ни парадоксально, главные азотфиксаторы не оставляют после себя никакой смены и, таким образом, представляют собой тупиковую ветвь жизни бактерий. На последних стадиях их существования растение-хозяин изменяет принципам симбиоза и попросту переваривает своих симбионтов. Заражение следующих поколений растений происходит путем вторжения новых партий бактерий из почвы, где они беспрепятственно размножаются. По мнению отдельных ученых, не все бактерии превращаются в бактероиды; небольшое число палочек, пройдя «нетронутыми» через все испытания в корнях, в конце концов вновь оказывается в почве. Наконец, третьи считают, что бактерии превращаются в неактивные кокки. Самое интересное, что никакие новейшие методы исследования с применением сверхмощных электронных микроскопов пока не в состоянии примирить горячо спорящих оппонентов.
Не так давно советскому академику Е. Н. Мишустину и его сотрудникам удалось довольно убедительно показать, что внутри бактероидов формируются мелкие округлые клетки — автоспоры, которые, по-видимому, и спасают их род от вымирания. Мишустин даже предполагает, что именно в форме автоспор клубеньковые бактерии пребывают в почве в пору своей независимой жизни. Так ли это на самом деле, покажет будущее.
Тесное сожительство клубеньковых с корнями бобовых — пример одного из самых взаимовыгодных эндосимбиозов. Помимо азота ризобии снабжают своего хозяина витаминами, а, возможно, также и ростовыми веществами; растение же кормит их тем, что в изобилии производит само, — углеводами. Однако первая встреча будущих симбионтов проходит отнюдь не дружелюбно. Бактерии идут в атаку, а растение активно обороняется. Основной способ его самозащиты заключается в том, что клетки корневых волосков усиленно делятся, очевидно чтобы локализовать вторжение (в результате деления и образуются клубеньки). Кроме того, из волосков выделяются токсичные для бактерий вещества. При этом в своей реакции на пришельцев растение не делает никаких различий между ризобиями и какими-нибудь паразитическими микробами. Не говорит ли это о том, что некогда клубеньковые начинали свою симбиотическую «карьеру» с простого паразитизма? Между прочим, английский исследователь Н. Торнтол убедительно доказал, что, если в почве нет бора, клубеньковые бактерии становятся настоящими паразитами своего растения-хозяина.
Но с того момента, как бактерии принимаются за «работу» на пользу хозяину, между наши и растением устанавливается мир и сотрудничество. Строятся они на самой глубокой и прочной основе — взаимодействии генов обоих симбионтов. Вопрос о том, кто же теперь управляет симбиозом, большинство ученых решает в пользу растения. Как-никак, а оно все-таки организм высший, и ему не подобает быть в подчинении у одних из самых примитивных существ-невидимок, с которых, возможно, начиналась жизнь на Земле.
Всего убедительнее были, пожалуй, опыты на Ротамстедской сельскохозяйственной станции в Англии. Там выращивают много разновидностей клевера. Среди них оказалось несколько таких, которые хотя и заражались эффективными расами ризобий и давали массу клубеньков, но клубеньки эти не фиксировали азот. Если такие растения не подкармливали минеральным азотом, они погибали. Очевидно, именно клевер по какой-то причине делал бактерии неактивными.
После того как наука раскрыла роль клубеньковых бактерий в добывании азота, все помыслы ученых были направлены на то, чтобы заставить этих незримых мастеров плодородия «работать» в полную силу. Для этого надо было изучить, какие условия им благоприятствуют.
В ходе несчетного числа опытов и полевых наблюдений выяснилось, что клубеньковые бактерии довольно «капризны». Их плодотворная созидательная деятельность зависит от степени влажности и кислотности, от температуры почвы, от содержания в ней минерального азота, фосфора, калия, кальция, магния и ряда микроэлементов. При несоблюдении хотя бы одного из этих условий работоспособность бактерий резко падает или они совсем не образуют клубеньков. К примеру, в условиях нашей нечерноземной зоны на симбиозе бобовых с клубеньковыми пагубно сказывается повышенная кислотность и недостаточная влажность почв. На таких почвах клубеньки перестают расти и быстро отмирают. Впрочем, всех требований клубеньковых бактерий мы еще просто не знаем.
Сначала думали, что ризобии неразборчивы в выборе растения-хозяина и могут поселяться на корнях любой бобовой культуры. Но потом оказалось, что, как и везде в живой природе, у них есть свои «вкусы» и «склонности». В зависимости от вида растения, на котором они устраивают свое «жилье», клубеньковые делятся на виды и расы. Кроме того, для жилья им подходит лишь десятая часть существующих бобовых растений (из 13 тысяч видов этого семейства клубеньки пока обнаружены у 1300, в том числе приблизительно у 200 сельскохозяйственных культур). К этому надо добавить, что среди ризобии имеются еще неэффективные расы, которые хотя и образуют клубеньки, но азот не фиксируют: в их клубеньках нет леггемоглобина. Растение, следовательно, «даром» кормит своих постояльцев.
Но ученые нашли способ преодоления таких осложнений. Из эффективных рас клубеньковых соответствующего вида промышленным методом готовят специальный препарат нитрагин, которым в день посевов обрабатывают семена бобовых. Для каждой культуры — своя разновидность бактерий. Это дает значительное повышение урожая. Замечено также, что благодаря нитрагинизации растения меньше болеют и лучше переносят разные невзгоды.
На смену нитрагину сейчас идет новый, более эффективный стимулятор — ризоторфин, выдержавший в 1977–1978 годах свой первый экзамен на совхозных и колхозных полях. Технологию его производства недавно разработали во Всесоюзном НИИ сельскохозяйственной микробиологии в Ленинграде.
Ризоторфин, приготовляемый на основе торфа, в десять раз превосходит нитрагин по количеству живых бактерий. В 1 г торфа их содержится 5–8 миллиардов, а в гектарной дозе набирается не меньше тысячи миллиардов невидимых глазу «тружеников» поля! Там, где применяют ризоторфин, помимо значительного роста урожая бобовых в их зеленой массе увеличивается содержание белка и витаминов.
Сложнее всего дело обстоит с почвенным азотом. Нужен ли он вообще, и если да, то сколько его должно быть, чтобы бактерии работали дружно? Вопрос практически немаловажный, и, казалось бы, решить его можно раз и навсегда, поставив соответствующие опыты. Такие опыты ставили и ставят тысячами, но получают весьма противоречивые результаты. Отсюда и разнобой во мнениях.
Большинство ученых сейчас согласно в том, что минеральный азот нужен, но в небольших количествах. Дело в том, что азот биологический (симбиотический) и азот минеральный благодаря растению становятся антагонистами. Чем больше в почве доступного растению минерального азота, тем меньше растение нуждается в работе клубеньковых бактерий, и наоборот. Если растение полностью удовлетворяет свои потребности за счет почвенного азота, то оно подавляет развитие клубеньков, а уже существующие разрушаются через несколько суток. Так зеленый хозяин утверждает свою «власть» над примитивными симбионтами и одновременно регулирует содержание в почве важнейшего элемента плодородия.
Остается решить вопрос об оптимальной дозе азота: сколько же надо вносить минеральных удобрений? Для этого важно понять, почему бесчисленные опыты с точно учтенным количеством вносимых удобрений дают несопоставимые результаты.
Оказывается, отношение симбионтов к минеральному азоту зависит не только от тех условий, о которых сказано выше, но и от множества других обстоятельств, которые в экспериментах просто невозможно учесть. Стало ясно, что единой оптимальной дозы, подходящей для всех случаев, просто не может быть. Для каждой почвы, культуры бобовых и бактерий и даже для времени посева она своя. Везде и всюду нужен дифференцированный подход!