Жизнь подземного города: путешествие в ризосферу

Shutterstock

Даже крошечный образец почвы может рассказать очень многое: каковы ее физические свойства, насколько плодородной она может быть и какие процессы в ней происходили.

Земля, что у нас под ногами, — это летопись истории человечества, которая написана на неизвестном языке. В слоях почвы бережно сохраняются напоминания о событиях давно минувших дней, поэтому она становится предметом изучения для археологов, агротехнологов, геологов, почвоведов, гидрологов и даже криминалистов.

Почвенные слои специалисты называют горизонтами. Почти в каждой стране существует их собственная классификация. Горизонты отличаются химическим составом, плотностью, кислотностью, влажностью. Верхние слои — это теплое покрывало из листьев, веточек или опавших иголок в хвойных лесах. Так называют любую органическую подстилку, которая укрывает почвенный горизонт.

Ниже располагается самый плодородный слой. В верхних почвенных горизонтах больше всего гумуса, который считается «излюбленным лакомством» для растений. Именно в этих слоях кипит микроскопическая жизнь, о существовании которой многие люди даже не догадываются.

Сегодня мы отправимся в ризосферу, чтобы выяснить, по каким законам она живет и какие тайны она неохотно раскрывает перед исследователями. Это небольшое путешествие в микроскопический мир покажет, что даже там крошечные организмы живут по тем же законам, что и мы. Они ищут пропитание, образуют альянсы ради выживания, спасаются от местных хищников и охотятся на тех, кто слабее.

Что из себя представляет ризосфера

Так называется почвенная прослойка, которая буквально обволакивает корни растений и вступает в активное взаимодействие с ними. Ее толщина составляет всего лишь 1-5 мм, но для местных завсегдатаев это широкая полоса жизни.

В ризосферу попадают корневые выделения растений, которые не только вытягивают из нее питательные вещества. Во время процесса роста и развития корневая система высших растений активно проникает вглубь почвы. В засушливых регионах, где до грунтовых вод не так-то легко добраться, некоторым растениям приходится выращивать очень длинные «щупальца». Длина корневой системы обитателей пустыни в среднем составляет 5-10 метров, но у некоторых видов они намного длиннее. Во время укоренения растение неизбежно сталкивается с корнями других растений-соседей, почвенными микроорганизмами и мелкими животными, которые обитают под землей.

Наиболее активное взаимодействие происходит в ризосфере. Именно в этой прослойке концентрация микроорганизмов буквально зашкаливает. Они очень плотно обволакивают корневую систему, от которой каждый получает что-то свое.

Поверхность корня, на которой бурлит жизнь, часто отделяют от ризосферы и называют ризопланой. Каждый микроорганизм имеет в запасе какую-то хитрость, которая позволяет ему найти уютное местечко и закрепиться неподалеку от источника питательных веществ. Почему же микроорганизмов в ризосфере так много?

Корни растений синтезируют и выделяют особый гормон — стриголактон. Он принимает активное участие в формировании микоризы — особой формы симбиоза грибного мицелия и корневищ высших растений.

Представьте себе зимнюю улицу, усыпанную снегом. Вокруг горят огни, в каждой квартире кипит жизнь, а вы вместе с толпой таких же несчастных вынуждены прыгать на месте в тщетных попытках разогреть окоченевшее тело. Денег и еды у вас нет, хотя очень хочется поесть, согреться и выпить чашку горячего чая.

Когда надежда вас уже покидает, и вы планируете отправиться в другой район в поисках пропитания, неожиданно открываются двери бесплатной столовой. Там тепло, мягкие кресла, трехразовое питание и горячий чай с плюшками. Вы останетесь на месте или все же пойдете в это гостеприимное заведение? Выбор очевиден. Именно поэтому микроорганизмы толпятся в ризосфере, где можно неплохо устроиться, вместо того, чтобы прозябать в других слоях почвы.

Грибной мицелий обеспечивает быструю коммуникацию и обмен веществами между растением и грибами. Shutterstock

Секрет популярности

Ризосфера переполнена питательными веществами, которые завлекают к столу гостей со всех окрестностей. В ней много сахаров и белков, спиртов, витаминов, гормонов, аминокислот и органических кислот, ферментов, полисахаридов. Все эти вещества охотно поглощаются бактериями.

Однако растения не всегда выступают в роли добрых соседей, которые щедро угощают усталых микроскопических путников. Их корни могут вырабатывать фитоалексины, которые обладают специфической антимикробной активностью и уничтожают патогенные микроорганизмы.

Корни растений синтезируют и выделяют в этот слой особый гормон — стриголактон. Он принимает активное участие в формировании микоризы — особой формы симбиоза грибного мицелия и корневищ высших растений. Именно под действием стриголактона прорастают споры и происходит ряд изменений, которые позволяют гифами грибов оплести корень плотной сеткой. В результате образуется естественный «чехол», который защищает его от негативного воздействия.

Существует несколько видов микоризы. В некоторых случаях гифы грибов обосновываются только в межклетниках, но не проникают в сами клетки корней, а в других симбиотическая связь развивается ужа не клеточном уровне. Это поразительное явление было впервые описано русским микологом и ботаником Францем Михайловичем Каменским более века назад, а название ему спустя несколько лет дал немецкий биолог Альберт Франк.

Микориза — это крепкий союз на взаимовыгодных условиях. Грибы оплетают корни и снабжают их влагой, минеральными солями. Растения дают им не только приют, но и трехразовое питание в виде органических соединений. Грибы в области ризосферы разлагают органику и способствуют образованию гумуса, который выступает в роли натурального удобрения.

Некоторые растения — интроверты. Они не любят, когда вокруг собираются большие колонии живых организмов и намеренно выделяют в ризосферу особые вещества, которые подавляют развитие микроорганизмов. Например, растение пастушья сумка выделяет в ризосферу вещество, которое препятствует образованию симбиоза с грибами.

Striga hermonthica или ведьмина трава. В Африке растение паразитирует на корнях сорго и риса. Shutterstock

Подземная коммуникация

У растений в ризосфере есть не только друзья, но и враги. Стриголактон играет важную роль в еще одном процессе — прорастании паразитических растений из рода Striga. Они более известны под мистическим названием «ведьмин сорняк». Стриги обладают повышенной чувствительностью к растительному гормону. Они буквально чуют его за версту и при обнаружении стриголактона получают ценную информацию и выстраивают простейшую логическую цепочку — раз здесь есть это вещество, значит рядом расположен и корень, который его вырабатывает.

Стриголактон действует на них, как красная тряпка на быка. Стриги начинают активно прорастать в месте, где был найден гормон, прикрепляются к корню и вытягивают из него все соки. В отличие от микоризы растение свое «согласие» на такое тесное взаимодействие не дает. Это не симбиоз, а паразитизм, когда стриги забирают у растения органические вещества в ущерб хозяину.

Еще один интересный способ коммуникации обнаружили ученые у растений из семейства Бобовых и симбиотических азотфиксирующих бактерий. Даже они могут «общаться», пусть их «разговор» и не проходит в том виде, что и у высших форм жизни. Первые находят корни по веществам, которые те выделяют. Они обладают повышенной чувствительностью к флавоноидам — большой группе полифенольных соединений, синтезирующихся исключительно высшими растениями.

В ответ азотфиксирующие бактерии выходят из тени и во всеуслышание заявляют о себе с помощью Nod-факторов — специальных сигнальных молекул, выделяемых в почву. Растения получают эти «письма» и начинают интенсивную подготовку к приему гостей, которые уже топчутся на пороге.

У них формируются корневые клубеньки — уютные покои для бактерий. Гости в них поселяются на полный пансион — растение регулярно кормит их органическими веществами. В качестве благодарности за такую щедрость азотфиксирующие бактерии перерабатывают азот из почвы в ту форму, которая пригодна для усвоения гостеприимным хозяином.

По другому сценарию развиваются отношения высших растений и несимбиотических азотфиксирующих бактерий. Если первых можно назвать близкими друзьями, то вторые скорее шапочные знакомые. Им номера люкс в корневых клубеньках не достаются, но эти бактерии живут в ризосфере, то есть в непосредственной близости к корням. Они тоже перерабатывают азот и угощают им корни своих соседей.

Ризосфера переполнена питательными веществами, которые завлекают к столу гостей со всех окрестностей. В ней много сахаров и белков, спиртов, витаминов, гормонов, аминокислот и органических кислот, ферментов, полисахаридов

Долгое время исследователи полагали, что отношения между несимбиотическими бактериями и высшими растениями довольно прохладные, но не так давно ученым удалось зафиксировать очень интересный факт. Суточные циклы (активные и пассивные фазы работы) у азотфиксирующих бактерий, которые живут по соседству, совпадают с суточными циклами самих растений.

Например, когда цветок находится в фазе роста и остро нуждается в повышенных порциях азота, бактерии подстраиваются под него и начинают вырабатывать вещество активнее, чтобы полностью удовлетворить потребности растения и не стать виновником дефицита. Разве подобные отношения можно назвать прохладными?

Скорее несимбиотические бактерии слишком самостоятельные и гордые, чтобы требовать себе уютные корневые клубеньки или принимать такую милость от соседа, тем не менее они прислушиваются к их нуждам и работают на износ, если того требуют обстоятельства.

Микроорганизмы сами частенько становятся мишенями для микроскопических хищников. Даже ризосферу нельзя назвать абсолютно безопасным местом. Их с большим удовольствием поглощают круглые черви (нематоды) и живые организмы из группы протистов, к которым относят водоросли, грибоподобные и простейшие (например, амебы).

Рядом с корнями дерева выстроена сложная экосистема из миллиардов микроогранизмов, грибов, водорослей и животных которые взаимодействуют между собой, питая дерево. Shutterstock

Ризосфера в процессах восстановления почвы

В тонкой прослойке вокруг корней растений происходит круговорот питательных веществ, который можно наблюдать во всех естественных средах. Устойчивость почв, то есть их способность сохранять функции или восстанавливаться после разрушения, тесно связана с ризосферой, которая становится источником энергии.

Хотя ученые продолжают изучать особенности механизма данного взаимодействия, до сих пор им так и не удалось разгадать эту тайну. Многие специалисты склоняются к версии о существовании самоорганизованных пространственно-временных паттернов, которые являются результатом сложных динамических связей между физическими, химическими и биологическими процессами, происходящими в ризосфере.

Самоорганизация — это процесс упорядочения элементов одного уровня в системе за счет внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия. Подобный комплекс можно сравнить с государством, которое живет в изоляции. В нем действуют собственные законы, а международное право на этой независимой территории не имеет никакого веса. Государство исправно функционирует, пока другие страны объединяются, развязывают войны, уничтожают друг друга и снова создают союзы.

По таким же принципам создается и глубокая связь между ризосферой и близлежащими почвенными горизонтами. Концепция самоорганизации ранее не применялась к ризосфере, хотя она неоднократно использовалась для описания взаимосвязей в почвенно-микробных комплексах, микоризных сетях, микробных биопленках, сообществах растений на одном ландшафте.

Совокупность микроорганизмов, которые обитают в ризосфере, можно назвать мультигеномным органом, отвечающим за распределение питательных веществ во всем «организме». Хотя исследователи и смогли выявить некоторые способы коммуникации, о которых уже упоминалось выше, совокупность методов «общения» между отдельными «клетками» этого органа, образующими крупную сеть, до сих пор остается загадкой. Однако сигналы каким-то образом передаются и микроорганизмы в ризосфере «разговаривают» друг с другом.

Некоторые растения — интроверты. Они не любят, когда вокруг собираются большие колонии живых организмов и намеренно выделяют в ризосферу особые вещества, которые подавляют развитие микроорганизмов.

Ранее в исследованиях околокорневой почвенной прослойки ученые использовали упрощенные модели. Они изучали почву, корни и микроорганизмы по отдельности, не связывая их в одну большую систему, функционирование которой регулируется сложными алгоритмами. На тот момент это были довольно эффективные методики, но технический прогресс не стоит на месте.

Со временем у исследователей появилась масса возможностей, не использовать которые было бы кощунственно. Сегодня для изучения процессов, которые протекают в ризосфере, необходимо подключать специалистов из разных областей, но именно этот аспект и создает основные трудности. В разных дисциплинах существуют серьезные отличия, например, в концепциях и терминологии.

Чтобы понять, как именно работает эта сложная система, нужно использовать подробные модели, но речь идет о микроскопическом мире, размеры обителей которого создают определенные сложности в работе. На данный момент загадка феномена саморегуляции этой системы остается неразгаданной, но вполне вероятно, что в скором времени исследователи сумеют приоткрыть завесу тайны и заглянуть за нее.

Может быть ответы помогут не только в изучении почвенных структур, но и при работе с иными естественными системами, ведь природа, притомившаяся от собственной оригинальности, порой использует одни и те же законы для разных случаев. Например, круговорот веществ — это универсальный шаблон, применяемый ею в разных средах. Существует вероятность аналогичного совпадения и с факторами, регулирующими работу ризосферы — источника питательных веществ, крупного подземного «города» для микроорганизмов в корнях растений.

#микроорганизмы #ризосфера #биология #исследования #почва