Клубеньки на корнях бобовых растений: Клубеньковые бактерии помогли доннику расти в модельном марсианском грунте

Клубеньковые бактерии помогли доннику расти в модельном марсианском грунте

Ученые проверили способность азотфиксирующих клубеньковых бактерий Sinorhizobium melioti формировать симбиоз с донником лекарственным (Melilotus officinalis) в имитации марсианского реголита. Растения успешно сформировали клубеньки с симбиотическими бактериями и продемонстрировали двукратный прирост в биомассе. Однако ожидаемого обогащения грунта азотом добиться не удалось. Статья опубликована в журнале PLoS One.

Корни бобовых растений (в том числе донника) образуют специфические клубеньки, где обитают бактерии-симбионты из семейства Rhizobiaceae. Эти бактерии фиксируют атмосферный азот, то есть превращают недоступный для растений газообразный азот (N2) в легкоусвояемую аммонийную форму (NH4). В результате бобовые растения растут лучше, а почва обогащается доступным для других растений азотом.

Выращивание бобовых могло бы помочь при колонизации Марса, так как марсианский реголит хоть и содержит азот, но в очень небольшом количестве. Но будет ли симбиоз бобовых растений и ризобиальных бактерий работать в таком грунте, пока неизвестно.

Франклин Харрис (Franklin Harris) и его коллеги из университета Колорадо решили это проверить и провели эксперимент по выращиванию донника в имитации марсианского реголита.

Использованный в эксперименте модельный грунт носит обозначение MMS (Mojave Mars Simulant), он разработан в 2007 году специалистами Лаборатории реактивного движения NASA с опорой на данные спектральных наблюдений поверхности Марса, и посадочных миссий, в частности, зондов «Викинг» и марсоходов «Спирит» и «Оппортьюнити». Основа искусственного реголита — базальтовый песок из американской пустыни Мохаве. На 50 процентов он состоит из диоксида кремния и на 10 процентов — из оксида железа. Ростки донника выращивались при оптимальных условиях — в теплице под фитолампами при температуре 25-30 градусов Цельсия и ежедневном увлажнении.

Спустя две недели после высадки десять ростков в имитации марсианского реголита обработали культурой бактерий Sinorhizobium melioti, которые образуют бобово-ризобиальный симбиоз с донником, а еще пять оставили необработанными. Для сравнения этот же опыт провели в обычном грунте для выращивания растений. Спустя три месяца после обработки авторы аккуратно вынули растения, определили их массу и количество клубеньков, а также проанализировали состав грунта.

На корнях донника в реголите успешно образовались клубеньки, хоть и значительно меньше, чем в земной почве (в среднем 14,5 клубеньков на растение в реголите, против 63 в земном грунте). Образование клубеньков в реголите могло ограничиваться высоким pH и низкой доступностью железа, которое входит в состав нитрогеназы — фермента, фиксирующего азот. Длина побегов, масса побегов и корней у растений с клубеньками были вдвое больше по сравнению с ростками, не обработанными культурой бактерий. То есть симбиоз в марсианской почве все-таки работает, и значительно улучшает жизнь бобовых растений.

Однако накопления азота в реголите с обработанными растениями не происходило. Несмотря на работу азотфиксирующих бактерий, содержание аммонийного азота в нем даже снизилось (c 5,5 до 3,7 миллиграмм на килограмм).

Авторы связывают это с тем, что в бедном грунте растения потребляли весь доступный азот, как образуемый бактериями, так и присутствующий в грунте. Но есть возможное решение этой проблемы. В земном сельском хозяйстве бобовые растения часто используют в качестве «зеленых удобрений» — их запахивают в землю, где растения разлагаются и высвобождают накопленный азот. По предположению авторов, длительное выращивание бобовых и их запашка в грунт все-таки смогут обогатить марсианский реголит доступным для растений азотом.

Ранее было показано, что в имитации марсианского грунта и разреженной атмосфере могут расти цианобактерии, которые, как и клубеньковые бактерии, способны фиксировать газообразный азот. Также в имитации реголита успешно вырастили десять видов овощных культур.

Тимофей Чернов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Наблюдение за образованием симбиотических клубеньков на корнях люпина



Азот — существеннейший фактор почвенного плодородия. Он входит в состав жизненно важных соединений — аминокислот, белков, нуклеиновых кислот.

Атмосфера Земли содержит колоссальное количество азота -79,2 процента, однако он недоступен для растений. Для растений важен не атмосферный азот, а содержащийся в почве. Между тем запасы доступных для растений форм азота даже в черноземных почвах не так велики, чтобы бесперебойно обеспечивать высокий урожай сельскохозяйственных культур [2].

В связи с остротой нитратной проблемы учёные ещё настойчивее изучают процессы естественной фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями, а также некоторыми свободноживущими микроорганизмами.

Из всех живых организмов только бактерии нескольких родов способны к фиксации атмосферного азота. Наиболее известные из них — это симбиотическая бактерия Rhizobium, которая образует клубеньки на корнях бобовых и некоторых других растений.

Клубеньковые бактерии снабжают бобовое растение азотом, который фиксируют из воздуха. Растение же, в свою очередь, поставляют бактериям продукты углеводного обмена и минеральные соли необходимые им для роста и развития [5].

Таким образом, бобовые растения и клубеньковые бактерии находятся в состоянии симбиоза [4].

В связи с вышеизложенным, нам показалось интересным проследить процесс образования симбиотических клубеньков на корнях люпина многолетнего perennis L. и на корнях люпина однолетнего albus L.

Цель: провести наблюдение за образованием симбиотических клубеньков на корнях двух видов люпина.

Задачи исследования:

1. Изучить литературу по теме исследования;

2. Разработать методику проведения эксперимента;

3. Выяснить, на каком этапе развития растения люпина многолетнего Lupinus perennis на его корнях появляются видимые симбиотические клубеньки;

4. Сделать наглядные пособия для уроков биологии.

Новизна работы: разработана и опробована методика наблюдения за образованием клубеньков на корнях многолетнего Lupinus perennis L.

Прикладное значение работы в том, что приготовленные препараты корней люпина используются как демонстративный материал на уроках ботаники.

Методы исследования:

Наблюдение;

Морфометрический анализ, фотофиксация морфометрических показателей;

В качестве объекта исследования выбрано растение люпина многолетнего Lupinus perennis и люпина однолетнего Lupinus albus.

Жизненная форма люпина — однолетняя и многолетняя трава [4]. Это позволило нам за сравнительно короткий срок (1–3 месяца) получить результаты эксперимента.

Для исключения влияния неблагоприятных условий, главным образом, погодных в период вегетации, семена однолетнего люпина мы посеяли в закрытом грунте, дома на балконе.

В качестве субстрата для выращивания люпина однолетнего мы взяли стерилизованную почву (повогрунт, прогретый в духовке). Использовали один большой контейнер. Для приближения к естественным условиям многолетний люпин посеяли в обычную почву на даче.

Семена перед посевом замочили в воде. Проклюнувшиеся семена посадили в грунт и полили. Через каждые 2 дня извлекали по одному растению, освобождали корни от частиц почвы и промывали водой.

Мы осматривали корни растений и фиксировали все изменения, происходящие в процессе эксперимента.

1 июня 2019г. мы замочили 15 семян белого однолетнего люпина и 15 семян многолетнего люпина.

Фаза наклёвывания произошла раньше, чем описывалось в прочитанной мной литературе — через 1–2 дня.

3 июня, через 2 суток появился главный корень у однолетнего люпина Lupinus albus, размер — 0,5 см.

У многолетнего люпина Lupinus perennis главный корень появился 4 июня, через 3 суток после начала эксперимента, размер — 0,3 см.

По литературным данным время от посева до появления проростков может достигать трех недель. [2]

3 июня в подготовленный прогретый в духовке грунт мы посеяли семена люпина однолетнего, а 4 июня в почву на даче посеяли семена люпина многолетнего.

У многолетнего люпина Lupinus perennis на 6 день эксперимента, 7 июня корень достигал 1 см.

Виды развиваются не одинаково, заметно опережение в развитии у однолетнего люпина. Это связано с разными факторами:

  1. с температурным режимом — дома колебания ночной и дневной температуры меньше (однолетний люпин), чем на даче (многолетний люпин)
  2. с величиной семени. Однолетний люпин содержит больше запасных веществ, т. к. его семя крупнее, чем у многолетнего;

На 10-й день у однолетнего люпина Lupinus albus главный корень достиг 5,5 см, появились боковые корни, их много от 5 мл до 1,2 см. проросток 4 см. Многолетний существенно меньше, главный корень 2,2 см, боковых корней мало около 3–4, проросток 1,5 см.

На этой стадии нет видимых изменений корневой системы, связанных с проникновением бактерий.

Согласно литературным данным бактерии рода Risobium начинают проникать в корни бобовых уже на стадии проростка [5].

Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня одинаков у всех видов бобовых растений и состоит из двух фаз. В первую фазу происходит инфицирование корневых волосков. Во вторую фазу интенсивно идет процесс образования клубеньков. [6].

На 16 день у однолетнего люпина Lupinus albusl и многолетнего люпина Lupinus perennis длина главного корня не изменилась, но появились новые боковые корни и увеличилась длина боковых корней. Клубеньков нет.

На 20 день 20 июня мы достали и промыли от земли однолетний люпин Lupinus albusl, клубеньков не обнаружено. Достали и промыли многолетний люпин Lupinus perennis. Главный корень достигает 4 см, боковой 4,5. На боковом корне хорошо видны вздутия — клубеньки.

При выращивании люпина было необходимо создавать условия, без которых невозможно образование клубеньков. Недостаток влаги приводит и к отмиранию уже сформировавшихся клубеньков. [3] И на даче почву и дома приходилось часто поливать, по мере высыхания почвы, но избыток воды уменьшают аэротацию почвы, а для размножения клубеньков бактерий необходим кислород [3].

Появление клубеньков у люпина многолетнего Lupinus perennis произошло на 20 день после посева семян. У однолетнего люпина Lupinus albus выращенного на почве, подверженной тепловой обработке в духовке, на 26 день клубеньков не обнаружено, несмотря на поддержание теплового и водного баланса. Возможно, это связано с тем, что мы прогрели почву в духовке при температуре выше 100С. Нам не удалось найти в литературных источниках информацию о действии высоких температур на бактерии рода Rizobium. Но у азотофиксирующих бактерий Azotobacter рода высокие температуры вызывают гибель не только вегетативных клеток, но и цист. [5]

У многолетнего люпина клубеньки были плотные на ощупь и имели светлую окраску.

К моменту образования плодов начался некроз клубеньков, они потемнели и стали более мягкие на ощупь. По литературным данным [3] некроз однолетних бобовых начинается в период массового цветения растений — хозяина. В нашем случае более позднее отмирание клубеньков связано с тем, что мы отмечали лишь видимое, заметные глазу процессы.

Люпин многолетний с клубеньками на корнях (фото автора). Люпин однолетний клубеньков на корнях нет (фото автора)

Выводы.

  1. Симбиотические клубеньки образовались на корнях у всех посаженных в открытом грунте растений люпина многолетнего (Lupinus perennis).
  2. Видимые клубеньки на корнях люпина появлялись через 20 дней после посева семян, а клубеньковые бактерии не появлялись на растениях, растущих на прогретой в духовке почве;
  3. Некроз клубеньков на корнях люпина многолетнего начался в период образования у люпинов бобов.
  4. На корнях люпина однолетнего не образовались клубеньки. Можно предположить, что прогревание почвы в духовке уничтожило вегетативные клетки и цисты Rizobium.

Проблемы сохранения почвенного плодородия одна из важнейших, ведь от нее напрямую зависит обеспечение людей пищей.

Попытки решить ее путем внесения химических удобрений имеет и негативные последствия. Неудивительно, что в странах с высокоразвитым земледелием обычно до 20–25 % окультуренной площади занято бобовыми растениями. При этом одновременно можно получить и ценный корм — зеленную массу растений и обогащение почвы азотом. Поэтому важен еще и просветительский аспект работы, связанный с необходимостью выращивания растений семейства Бобовых.

Литература:

  1. Артамонов В. И. Физиология растений. — Москва: ВО «Агропромиздат»,1991
  2. Васильев А. Е., Воронин Н. С., Еленевский А. Г. Ботаника. Морфология и анатомия растений. — Москва: Просвещение.1988
  3. Жизнь растений. В 6-ти т. Гл. ред.чл.-кор. АИ СССР, проф. АА Федоров Т1: Введение. Бактерии и актиномицеты. — М: Просвещение, 1974.
  4. Майсурян Н. А., АтабековаА. И. Люпин — М.: Колос, 1974
  5. Митустин Е. Н., Шильникова В. К. Биологическая фиксация атмосферного азота. — М.:Наука,1973
  6. Рейвн П., Эверт Р., Айкхорн.С Современная ботаника. — Москва: Мир. 1990.
  7. Жуковский П. М. К познанию рода Lupinu// Тр. По прикл.бот, гент, сел. 1929, Т21, вып 1

Основные термины (генерируются автоматически): однолетний люпин, многолетний люпин, главный корень, корень люпина, клубенек, корень, атмосферный азот, бактерия, день, почва.

Понимание роли бактерий в бобовых растениях

Фасоль, горох, чечевица и другие бобовые являются ключевыми элементами сбалансированного питания, поскольку они являются источником высококачественных белков. Грантополучатель ERC Йенс Стоугард возглавляет одну из самых известных исследовательских групп в области бобовых, результаты которой могут иметь долгосрочные последствия для устойчивого сельского хозяйства и продовольственной безопасности.

Бобовые растения составляют одно из крупнейших семейств культурных растений. Учитывая важность бобовых для потребления людьми и животными, исследователи изо всех сил пытаются улучшить наши знания о факторах, способствующих их росту, а также об их взаимодействии с живущими на них бактериями, чтобы иметь возможность увеличить урожайность, избежать потери урожая и предотвратить инфекционные заболевания. .

При поддержке ERC Йенсу Стоугарду, профессору молекулярной биологии и генетики в Орхусском университете, удалось определить точный молекулярный механизм, лежащий в основе взаимодействия между бобовым растением-хозяином и бактериями Rhizobium, почвенными микроорганизмами, которые помогают фиксировать азот в бобовых растениях. Эти бактерии колонизируют корни бобовых растений, которые в ответ образуют на своих корнях набор новых органов, называемых «узелками». Именно в этих клубеньках бактерии фиксируют азот и превращают его в аммиак — соединение, необходимое для роста и развития растений.

Просматривая это видео, вы принимаете политику использования файлов cookie Youtube

.
Открытие этого процесса открывает двери для разработки бобовых растений с повышенной способностью связывать азот, что может привести к повышению урожайности. Получив второй грант ERC, Стоугард в настоящее время изучает, как почвенные микробы влияют на производительность растений в условиях стресса окружающей среды.

Борьба с голодом в мире

Эти выводы могут иметь как экономическое, так и социальное влияние на борьбу с голодом в мире. Группа Стугаарда является партнером по исследованиям в проекте ENSA, финансируемом Фондом Билла и Мелинды Гейтс через Кембриджский университет. Проект направлен на достижение значительной урожайности без химических удобрений для мелких фермеров в странах Африки к югу от Сахары.

«Финансирование ERC предоставляет фантастическую возможность решить фундаментальные проблемы и получить новаторские результаты, которые изменят наше научное понимание и выведут науку на новый уровень », — говорит Стоугард. ‘ Это может принести пользу всему мировому сообществу. В нашем случае участие нашей группы в последующем проекте ENSA приведет к тому, что наши выводы окажут конкретное экономическое и социальное влияние в странах Африки к югу от Сахары. Решение глобальных проблем производства достаточного количества продовольствия при одновременном снижении воздействия на окружающую среду требует новых научно обоснованных технологий, и гранты ERC играют решающую роль в продвижении этого. ‘

Био

Йенс Стоугард — профессор молекулярной биологии и генетики Орхусского университета (Дания). Его исследовательские интересы сосредоточены на взаимодействии растений и микробов. Он сыграл важную роль в разработке Lotus japonicus как модельной системы для генетики, геномики и функциональных исследований бобовых, что вдохновило многих других исследователей на работу с этим модельным растением. Он получил два гранта ERC Advanced Grants в 2012 и 2019 годах. В 2014 году он вошел в 1% самых цитируемых исследователей.

Биогенные амины в корневых клубеньках ризобий и бобовых

Сохранить цитату в файл

Формат:

Резюме (текст) PubMedPMIDAbstract (текст) CSV

Добавить в коллекции

  • Создать новую коллекцию
  • Добавить в существующую коллекцию

Назовите свою коллекцию:

Имя должно содержать менее 100 символов

Выберите коллекцию:

Не удалось загрузить вашу коллекцию из-за ошибки
Повторите попытку

Добавить в мою библиографию

  • Моя библиография

Не удалось загрузить делегатов из-за ошибки
Повторите попытку

Ваш сохраненный поиск

Название сохраненного поиска:

Условия поиска:

Тестовые условия поиска

Эл. адрес:

(изменить)

Который день?

Первое воскресеньеПервый понедельникПервый вторникПервая средаПервый четвергПервая пятницаПервая субботаПервый деньПервый рабочий день

Который день?

воскресеньепонедельниквторниксредачетвергпятницасуббота

Формат отчета:

РезюмеРезюме (текст)АбстрактАбстракт (текст)PubMed

Отправить максимум:

1 шт. 5 шт. 10 шт. 20 шт. 50 шт. 100 шт. 200 шт.

Отправить, даже если нет новых результатов

Необязательный текст в электронном письме:

Создайте файл для внешнего программного обеспечения для управления цитированием

. 2009;24(1):1-13.

дои: 10.1264/jsme2.me08557.

Синсуке Фуджихара
1

принадлежность

  • 1 Национальный центр сельскохозяйственных исследований, Каннондай 3-1-1, Цукуба, Ибараки 305-8666. Япония.

  • PMID:

    21566347

  • DOI:

    10.1264/jsme2.me08557

Бесплатная статья

Синсуке Фуджихара.

Микробы Окружающая среда.

2009.

Бесплатная статья

. 2009;24(1):1-13.

дои: 10.1264/jsme2.me08557.

Автор

Синсуке Фуджихара
1

принадлежность

  • 1 Национальный центр сельскохозяйственных исследований, Каннондай 3-1-1, Цукуба, Ибараки 305-8666. Япония.

  • PMID:

    21566347

  • DOI:

    10.1264/jsme2.me08557

Абстрактный

Клубеньковые бактерии (ризобии) имеют большое значение для усвоения азота посредством симбиотической азотфиксации у самых разных бобовых растений. Эти бактерии отличаются от большинства других почвенных микроорганизмов тем, что принимают двойные формы, то есть свободноживущую форму в почве и симбиотическую форму внутри бобовых растений-хозяев. Следовательно, у них должна быть универсальная стратегия выживания, будь то заселение почв или корневых клубеньков, образованных в результате взаимодействия ризобий и бобовых. Ризобии обычно содержат большое количество биогенного амина гомоспермидина, аналога спермидина, который является важным клеточным компонентом в большинстве живых систем. Внешний рН, соленость и быстрое изменение осмолярности считаются важными факторами окружающей среды, влияющими на устойчивость ризобий. В настоящем обзоре описывается регуляция биосинтеза гомоспермидина в ответ на экологический стресс и его возможная функциональная роль у ризобий. Клубеньки на корнях бобовых, альтернативная среда обитания ризобий, обычно содержат множество биогенных аминов помимо гомоспермидина, и появление некоторых из этих аминов тесно связано с ризобиальными инфекциями. Во второй половине этого обзора также описаны новые биогенные амины, обнаруженные в некоторых корневых клубеньках бобовых, и механизм их синтеза, включающий сотрудничество между ризобиями и клетками бобовых растений-хозяев.

Похожие статьи

  • Системы фосфорилирования симбиотических азотфиксирующих бактерий и их роль в адаптации бактерий к различным экологическим стрессам.

    Липа П. , Янчарек М.
    Липа П. и др.
    Пир Дж. 2020 11 февраля; 8: e8466. doi: 10.7717/peerj.8466. Электронная коллекция 2020.
    Пир Дж. 2020.

    PMID: 32095335
    Бесплатная статья ЧВК.

  • Неклубеньковые Bradyrhizobium spp. Модулируйте преимущества мутуализма бобовых и ризобиумов.

    Гано-Коэн К.А., Стоукс П.Дж., Блэнтон М.А., Вендландт К.Е., Холлоуэлл А.С., Регус Д.Ю., Ким Д., Патель С., Пахуа В.Дж., Сакс Д.Л.
    Гано-Коэн К.А. и соавт.
    Appl Environ Microbiol. 2016 15 августа; 82 (17): 5259-68. doi: 10.1128/АЕМ.01116-16. Печать 1 сентября 2016 г.
    Appl Environ Microbiol. 2016.

    PMID: 27316960
    Бесплатная статья ЧВК.

  • Детерминанты специфичности круга хозяев бобово-ризобиального симбиоза.

    Уокер Л., Лагунас Б., Гиффорд М. Л.
    Уокер Л. и др.
    Фронт микробиол. 2020 27 нояб.; 11:585749. doi: 10.3389/fmicb.2020.585749. Электронная коллекция 2020.
    Фронт микробиол. 2020.

    PMID: 33329456
    Бесплатная статья ЧВК.

    Обзор.

  • Фитогормональная регуляция бобово-ризобиальных взаимодействий.

    Фергюсон Б.Дж., Матезиус У.
    Фергюсон Б.Дж. и соавт.
    Дж. Хим. Экол. 2014 июль; 40 (7): 770-90. doi: 10.1007/s10886-014-0472-7. Epub 2014 23 июля.
    Дж. Хим. Экол. 2014.

    PMID: 25052910

    Обзор.

  • Конкуренция между ризобиями в различных условиях окружающей среды влияет на образование клубеньков бобовых культур.

    Ji ZJ, Yan H, Cui QG, Wang ET, Chen WF, Chen WX.
    Джи З.Дж. и др.
    Сист Appl Microbiol. 2017 март; 40(2):114-119. doi: 10. 1016/j.syapm.2016.12.003. Epub 2016 27 декабря.
    Сист Appl Microbiol. 2017.

    PMID: 28063627

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

  • Метаболический контроль азотфиксации в ризобиально-бобовых симбиозах.

    Schulte CCM, Borah K, Wheatley RM, Terpolilli JJ, Saalbach G, Crang N, de Groot DH, Ratcliffe RG, Kruger NJ, Papachristodoulou A, Poole PS.
    Шульте ССМ и др.
    Научная реклама 2021 июль 30;7(31):eabh3433. doi: 10.1126/sciadv.abh3433. Печать 2021 июль.
    Научная реклама 2021.

    PMID: 34330708
    Бесплатная статья ЧВК.

  • Профили экспрессии связанных с алкалоидами генов в органах узколистного люпина ( Lupinus angustifolius L.) и в ответ на антракнозную инфекцию.

    Чепель К. , Краевски П., Вилчура П., Белецка П., Свенцицкий В., Крок М.
    Чепель К. и соавт.
    Int J Mol Sci. 2021 6 марта; 22 (5): 2676. дои: 10.3390/ijms22052676.
    Int J Mol Sci. 2021.

    PMID: 33800929
    Бесплатная статья ЧВК.

  • Сдвиги между популяциями ризосферы пшеницы Pseudomonas , Streptomyces и Phyllobacterium предполагают постоянную мобилизацию фосфатов на разных стадиях роста пшеницы в условиях абиотического стресса.

    Брайткройц К., Бускот Ф., Таркка М., Рейц Т.
    Брейткройц С. и др.
    Фронт микробиол. 2020 22 января; 10:3109. doi: 10.3389/fmicb.2019.03109. электронная коллекция 2019.
    Фронт микробиол. 2020.

    PMID: 32038552
    Бесплатная статья ЧВК.

  • MsZEP, новый ген зеаксантинэпоксидазы из люцерны (Medicago sativa), придает трансгенному табаку засухоустойчивость и солеустойчивость.