Многие исследователи [Augй, 2001, с. 42] видят значение микоризообразующих грибов не только в простом увеличении поглощающей поверхности корня, но и в метаболических процессах, лежащих в основе обмена между грибом и клетками корня растений. Микоризные грибы, как гетеротрофные организмы, нуждаются в углеводах и, поселяясь в корнях растений, потребляют значительное количество растворимых сахаров, образующихся в листьях растения-хозяина. Вырабатывая физиологически активные вещества, микосимбионты увеличивают отток углеводов от растения-хозяина к грибу и увеличивают фотосинтез. Наблюдается усиление процесса дыхания у растений. Выделяющаяся при этом энергия используется на более активный синтез различных соединений (белков, углеводов). На активацию процессов анаболизма и катаболизма в тканях растений расходуется много минеральных соединений. Существуют два пути поглощения питательных минеральных веществ микоризными грибами: первый -метаболическая адсорбция из субстрата периферическими свободными гифами и транспорт во внутренние структуры ВАМ-грибов (арбускулы, везикулы и мицелий); второй путь - диффузия питательных веществ из почвенного раствора в гифы гриба за счет градиента концентраций. Микориза поглощает питательные вещества и воду из почвы с более высокой скоростью, чем обычные корни.
Накопившиеся в наружных гифах ВАМ-грибов фосфаты переводятся в полифосфаты и в таком виде транспортируются в гифы мицелия внутри корневых тканей растения. Полифосфаты локализуются в вакуолях по одной, реже по три гранулы. Гранулы присутствуют также в неразрушенных арбускулах. Цикл развития большинства эндофитов можно разделить на две фазы: биотрофную и сапротрофную. Биотрофная фаза связана с живым растением-хозяином, преимущественно, с его корневой системой. Сапротрофная фаза протекает в почве или на растительных остатках, где происходит формирование зигоспор, хламидоспор, спорокарпов, являющихся органами перенесения неблагоприятных условий внешней среды в отсутствие растений.
Развитие ВАМ можно разделить на три этапа: преинфекционные взаимодействия, формирование межклеточного мицелия, развитие внутриклеточной симбиотической структуры [Соколова, 1995, с. 13-15]. На первом этапе споры гриба прорастают в почве под действием растительных выделений и образуют специальные структуры прикрепления - апрессории. На втором этапе из апрессорий вовнутрь корня начинает расти инфекционная гифа, проникая через эпидермис в ткани кортекса, ветвится и образует мицелий. На третьем этапе в местах тесного контакта мицелия с клетками гифы проникают в растительные клетки, где образуются арбускулы - разветвленные впячивания сложной формы, содержащие гифу гриба, окруженную растительной плазмалеммой и клеточной стенкой. Арбускулы являются местами наиболее интенсивного обмена партнеров метаболитами, в частности передачи в растение минеральных элементов, поглощаемых грибом из почвы. Арбускулы существуют в течение нескольких дней, после лизируются хозяином, а взамен гифы в кортексе корня образуют новые арбускулы .
Первичное заражение у однолетних растений начинается в фазу 3-4 листьев, в дальнейшем количество эндофитов в корне возрастает, достигая максимума в период цветения и плодоношения, а затем интенсивность микоризной инфекции снижается. Проростки однолетних растений безмикоризны, что служит свидетельством того, что их инфицирование происходит из почвы [Немченкос. 348].
У многолетних растений в зимних условиях гриб сохраняется в тканях корня в форме гиф и многочисленных везикул. С возобновлением вегетации высшего растения сразу же возобновляется и рост эндофитного гриба в корнях. Гифы из перезимовавших участков корня постепенно внедряются во вновь формирующиеся ответвления корней. Но возможно также заражение микоризными грибами из почвы, где они сохраняются в виде хламидоспор и спорокарпов.
Наличие или отсутствие микориз, а также особенности их строения, зависят, преимущественно, от систематического положения растения-хозяина. Большинство папоротников и мохообразных микотрофны. У высших споровых растений не имеют микориз спорофиты плаунов и хвощей. Голосеменные все микотрофны. Среди покрытосеменных не имеют микориз осоковые, ситниковые, крестоцветные, маковые, гвоздичные, большинство гречишных и маревые. ВАМ-грибы также инфицируют деревья и кустарники: дуб, ясень, яблоню, лещину, жимолость и даже морские водоросли[Martennson, Rydberg, 1994, c. 13-19].
Везикулярно-арбускулярная микориза представляет собой наиболее распространенную форму консортивных связей высших растений с грибами. Ее образуют большинство культурных растений из хозяйственно важных семейств. Эндофиты обнаружены у таких культур, как пшеница, кукуруза, картофель, бобы, соя, томаты, чай, кофе, какао, сахарный тростник, каучуковое дерево. На территории нашей страны ВАМ представлена достаточно широко. Анализ микосимбиотических связей в растительном покрове ландшафтно-географических зон бывшего СССР и вертикальных поясов показывает, что в лесной и степной зонах, а также в большинстве высокогорных фитоценозов, микотрофные виды преобладают над немикотрофными. В тундрах и пустынях, в субнивальном поясе симбиотические связи высших растений с грибами заметно ослабевают[Там же. С. 16]. На морфологию корней везикулярно-арбускулярные микоризы влияют мало или совсем не влияют, но могут изменять их цвет. Микоризные корешки отличаются от не микоризных желтовато-бурой и зеленоватой окраской участков корня, где обычно развит эндофитный гриб.
Изучение эндомикоризы важно не только для выяснения фундаментальных вопросов эволюции, экологии растений, но и для решения практически значимых вопросов повышения продуктивности сельскохозяйственных растений, многие из которых (хлебные и кормовые злаки, бобовые, картофель и др.) образуют эндомикоризу. Поэтому в качестве перспективного способа повышения урожайности растений рассматривается разработка технологий, учитывающих наличие и специфику эндомикоризы у сельскохозяйственных растений [Рейвн, Эверт, Айкхорн, 1990, c. 348].
Штаммы АМГ уже давно изучаются и используются в сельском хозяйстве многих стран, особенно с теплым климатом (Америка, Турция, Индия, Кения и многие другие), тем самым заменяя традиционные удобрения. Однако, в отличие от многих грибов, участвующих в других типах микориз, АМГ не могут быть выращенными в культурах в отсутствие корней растений, что представляет огромные трудности по изучению их роста, развития и влияния на растения. В США на базе университета Западной Вирджинии даже существует Международная коллекция штаммов ВАМ-грибов (INVAM). Там проделывается колоссальная работа по выращиванию этих очень привередливых и нужных штаммов микроорганизмов [INVAM].
1.2 Последствия влияние засухи на сельскохозяйственные растения
Засуха характеризуется комплексом неблагоприятных условий, приводящих к глубокому дефициту воды в почве и в растении [ Третьяков С. 243-244]. Угнетающее действие засухи происходит из-за несоответствия потребности растения во влаге и поступлении её из почвы.
Среди экстремальных природных явлений засухи проявляются наиболее неблагоприятным воздействием на сельское хозяйство в большинстве земледельческихрайонов Российской Федерации. Так, в наиболее жестокую засуху 2010 года гибель посевов наблюдалась на площади 13,3 млн га, в менее интенсивную засуху 2012 г. погибло 5,5 млн га [Страшная, Максименкова, 2011, с. 194-214].
Засуха - это длительный бездождливый пери-од, сопровождаемый снижением относительной влажности воз-духа, влажности почвы и повышением температуры, когда не обеспечиваются нормальные потребности растений в воде. Наибольший вред засуха при-чиняет в весеннее и летнее время, когда идет формирование генеративных органов растений. В отдельные годы урожайность сельскохозяйственных культур, пострадавших от засухи, снижа-ется до минимальных величин (у зерновых до 0,3 - 0,4 т/га) [Володько, 1983, с.12].
Засухоустойчивость - способность растений переносить дли-тельные засушливые периоды, значительный водный дефицит, обезвоживание клеток, тканей и органов. При этом ущерб уро-жая зависит от продолжительности засухи и ее напряженности. Засухо-устойчивость обусловлена генетически определенной приспособ-ленностью растений к условиям места обитания, а также адапта-цией к недостатку воды. Засухоустойчивость выражается в спо-собности растений переносить значительное обезвоживание за счет развития высокого водного потенциала тканей при функци-ональной сохранности клеточных структур, а также за счет адап-тивных морфологических особенностей стебля, листьев, генера-тивных органов, повышающих их выносливость, толерантность к действию длительной засухи [Прокофьев, 1978, с. 3-6].
Для агронома особенно важно знание признаков и свойств, определяющих устойчивость к засухе растений - мезофитов. Многие физиологические факторы, механизмы устойчивости растений к засухе, характерные для ксерофитов, в той или иной степени представлены у растений-мезофитов. К мезофитам относятся основные виды злаковых и бобовых трав, зерновые и зернобобовые культуры, корне- и клубнеплоды, масличные и прядильные культуры, возделывае-мые в России. Мезофиты произрастают в условиях достаточного увлажнения. Осмотическое давление клеточного сока у них 1 - 1,5 тыс. кПа [Горышина, 1979, с.47-53].
Почвенная засуха прежде всего приводит к потере воды растением, обезвоживанию клеток, что сопровождается нарушением водного режима /88/, образованием водного дефицита. В засуху снижается подвижность и скорость обновления воды всех ярусов листьев [Уланова Е с. 304 с.].
Структура воды в живой клетке подвергается непрерывным изменениям, обусловленным реакциями метаболизма [Удовенко С. 3-4..].О состоянии воды в клетке судят обычно, разделяя её на две фазы при помощи различных водоотнимающих факторов. Отнятая вода условно называется свободной, менее структурированной, более подвижной. Оставшаяся вода - связанной, более упорядоченной, прочно удерживаемой, более структурированной, менее подвижной [Удовенко.]. На выход воды из клеток влияет не только состояние воды в них и мощность водоотнимающего фактора, но и состояние (водопроницаемость) клеточных мембран [Гусев С. 78-89.].
А. М. Алексеевым [Алексеев 355 с.] в качестве показателя напряжения водного режима, способного достаточно хорошо характеризовать состояние воды в растениях, была предложена активность воды. Под активностью понимается способность вещества участвовать в химических реакциях, поверхностных явлениях, фазовых переходах, механических перемещениях.
Поскольку молекулы связанной воды имеют пониженную подвижность, их механическое перемещение затруднено, она менее интенсивно участвует в химических реакциях, является худшим растворителем, чем свободная вода. Следовательно, при равных прочих условиях связанная вода обладает меньшей активностью, чем свободная [Гусев С. 78-89.].
Различием свойств свободной и связанной воды определяется разное физиологическое значение этих водных фаз. Повышенное содержание свободной воды способствует интенсификации физиологических процессов, а связанной - повышению устойчивости к неблагоприятным факторам среды /150/. Увеличение содержания свободной воды связано с усилением процессов роста, обмена веществ, дыхания и тем самым ведёт к повышению продуктивности растений в оптимальных условиях существования. Однако наличие большого количества свободной воды в растении может способствовать при засухе более сильному обезвоживанию, так как свободная вода испаряется легче, чем связанная [Гусев С. 78-89.].
Потеря воды тканями вызывает глубокие изменения физико-химических свойств протоплазмы [Давид 211 с..], что проявляется в увеличении проницаемости её мембран, и в первую очередь плазмалеммы. Об увеличении проницаемости протоплазмы под влиянием обезвоживания даёт представление электропроводность водной вытяжки исследуемого объекта. Степень изменения проницаемости плазмалеммы (этот показатель можно назвать и "прочность клеточных структур") при обезвоживании также является критерием оценки устойчивости растений к засухе [Удовенко С. 3-4..]. Увеличение количества веществ, выделяющихся из клеток вследствие экзосмоса, является признаком слабой устойчивости организма к действию неблагоприятных факторов среды [Алпатьев 248 с. ].
Физиологические функции растительного организма тесно связаны с его морфологическими и анатомическими признаками. Характер функционирования каталитических систем, которыми располагает живая клетка, зависит от состояния морфологических структур. Вместе с тем, процессы, осуществляющиеся при участии этих систем, и природа возникающих в ходе этих процессов метаболитов непосредственно воздействуют на состояние самих структур [Сатарова . С. 28-69. ].
Обезвоживание тканей, возникающее во время засухи, изменяет ход физиолого-биохимических процессов, что в свою очередь отражается на ростовых процессах, анатомии и морфологии растения. Даже кратковременное обезвоживание уменьшает интенсивность роста растений. При этом у злаков сокращается- длительность процесса кущения, уменьшаются размеры колоса, длина листьев и междоузлий [Cooper M P. 965-984.].
Торможение ростовых процессов, уменьшение размеров вегетативных органов и прежде всего листьев является одним из первых и важнейших проявлений засухи. Кроме того, засуха ускоряет процесс старения и отмирания листьев, сокращает вегетационный период растений [Алпатьев 248 с. ].
Преждевременное пожелтение и отмирание нижних листьев или даже только падение тургора указывает на недостаточность водоснабжения растений. Недостаток воды в почве влияет на рост очередных листьев, особенно на рост листьев верхних ярусов, когда дефицит влаги в почве часто особенно велик.
Водный дефицит и завядание в разной мере влияют на физио-логическую деятельность растения в зависимости от длительнос-ти обезвоживания и вида растения. Последствия водного дефи-цита при засухах многообразны. В клетках снижается содержание свободной воды, возрастает концентрация и снижается рН вакуолярного сока, что влияет на гидратированность белков цито-плазмы и активность ферментов. Изменяются степень дисперс-ности и адсорбирующая способность цитоплазмы, ее вязкость. Резко возрастают проницаемость мембран и выход ионов из клеток, в том числе из листьев и корней (экзоосмос); эти клетки теряют способность к поглощению питательных веществ[Martennson, Rydberg, 1994, c. 13-19].