Клубеньковые бактерии – симбиотические организмы, фиксирующие азот. Взаимоотношения растений с прокариотами
Взаимоотношения микроорганизмов с растениями.
Любые студенческие работы ДОРОГО, КАЧЕСТВЕННО
100 руб. бонус за первый заказ. Всего 3 вопроса:Узнать стоимость работы
В природных условиях высшие растения и микроорганизмы тесно взаимосвязаны, между ними существуют различные формы взаимоотношений и взаимного влияния. Здесь, конечно, в первую очередь необходимо отметить тесный симбиоз бобовых растений и клубеньковых бактерий, описанный нами в разделе о круговороте азота. Корни растений в процессе жизнедеятельности выделяют некоторое количество органических соединений: кислоты, сахара, спирты и иногда даже аминокислоты. На поверхности корней и в почве, непосредственно примыкающей к корням растений, содержится много питательных веществ, и микроорганизмы здесь усиленно развиваются. Слой почвы, примыкающий к корням и находящийся под влиянием деятельности корневой системы растений, называется ризосферой.
В районе ризосферы микробов содержится в десятки, сотни раз больше, чем вне зоны деятельности корней. Даже такие автотрофные бактерии, как нитрифицирующие, в ризосфере встречаются в гораздо большем количестве, чем в остальной почве. Количество микроорганизмов в ризосфере изменяется в зависимости от фазы развития растения. Общее количество их возрастает от начала прорастания семени до цветения. Во время цветения число их падает. Но разные группы и виды микроорганизмов имеют свой максимум развития на корнях. Так, грибы, актиномицеты и клетчаткоразлагающие бактерии в большом числе встречаются во втором периоде развития растения.
В ризосфере обычно больше бесспоровых бактерий, а из них преобладают различные виды псевдомонас, радиобактеров, микобактерий и др. В ризосфере различных растений может наблюдаться специфическая микрофлора, т. е. преобладание одних видов микробов над другими. Микробы ризосферы, питаясь корневыми выделениями, сами подготовляют питательные вещества для растений путем разложения растительных остатков, гумуса, выделения различных физиологически активных веществ.
Между грибами и корнями растений также имеются особые симбиотические взаимоотношения. У подавляющего большинства растений - древесных, злаковых и других - на корнях имеются микоризы. Микориза (грибокорень) представляет собой грибной мицелий, развившийся на корнях растения. Микоризообразующие грибы имеются среди фикомицетов, аскомицетов и базидиальных грибов.
Микориза - очень распространенное явление, и такой симбиоз имеет важное значение в жизни растения и гриба, представляя собой микотрофный тип питания. Различают наружную (экто) и внутреннюю (эндо) микоризу. Наружная микориза окутывает корень плотным чехлом мицелия, который проникает в корень на небольшую глубину, главным образом в межклетники коровой паренхимы. От грибного чехла во все стороны почвы отходит густая сеть гиф мицелия. Корневые волоски отмирают.
Значение микоризного симбиоза высшего растения с грибом многообразно. Грибной мицелий увеличивает рабочую поверхность корня и таким образом усиливает всасывание воды и различных питательных веществ. Гриб также усиливает питание растения за счет растворения труднорастворимых неорганических и органических соединений, снабжает растение азотистым питанием в виде аммиака при минерализации органических остатков. Особенно большое значение имеет снабжение растения витаминами, ростовыми веществами. Основное значение высшего растения для гриба заключается в снабжении его глюкозой и специальными метаболитами корневой системы. Энергия, заложенная в глюкозе, дает возможность грибу усваивать труднорастворимые соединения фосфора и разлагать органические вещества, например торф.
Здесь необходимо также отметить, что найдены в последнее время микроорганизмы - сильные антагонисты насекомых - вредителей сельскохозяйственных культур и лесов. Так, найдены бактерии, которые оказались очень патогенными для гусениц сибирского шелкопряда (Вас. dendrolimus, Bact. tuviensis) - этого бича сибирских лесов. Обработка лесов культурами этих бактерий путем опрыскивания с самолетов губит до 95% гусениц и куколок шелкопряда. Дальнейшие поиски подобных микроорганизмов, несомненно, приведут к открытию новых способов уничтожения других вредителей сельскохозяйственных растений.
students-library.com
ЭлБиб
клетчатки и лигнина и наряду с бактериями принимают участие в про
цессе аммонификации, а также частично в процессе нитрификации:
(виды
Aspergillus
,
Penicillum
) .
Неоднократно отмечено резкое увеличение содержания нитратов;
в почве в пределах «ведьминых колец», образованных плодовыми те
лами ряда видов шляпных грибов на лугах, что ведет к улучшению*
роста травы, увеличению ее урожая и содержания в ней нитратного^
азота. Очевидно, что под влиянием грибов происходит интенсивное раз
ложение органического вещества в почве. Почвенные грибы участвуют
в образовании структуры почв и в продуцировании антибиотиков и ток
синов.
ВЗАИМООТНОШЕНИЯ РАСТЕНИЙ
С ПРОКАРИОТАМИ
Прокариоты представлены в биоценозах бактериями, актиномице-
тами, синезелеными водорослями (цианобактериями). Среди всех этих:
групп имеются азотфиксаторы (диазотрофы).
ВЗАИМООТНОШЕНИЯ РАСТЕНИИ С БАКТЕРИЯМИ
Бактерии в биоценозах представлены симбиотрофами, экрисотро-
фами, сапротрофами и паразитами. Среди них большое значение имеют
азотфиксаторы (симбиотрофы, эккрисотрофы, сапротрофы) и бактерии,,
участвующие в разложении и минерализации отмерших органов расте
ний, а также животных и их экскрементов.
Симбиотические связи бактерий с растениями
Можно различать симбиотические связи бобовых с клубеньковыми
бактериями; симбиотические связи небобовых растений с бактериями,
образующими на корнях клубеньки; симбиотические связи с бактерия
ми, образующими на листьях желвачки.
Бобовые
Симбиотические связи бактерий с бобовыми благодаря широкому
использованию их в полевом растениеводстве, луговодстве и, частично,
в лесоводстве изучались весьма интенсивно. Установлено, что не все
виды бобовых имеют на корнях клубеньки. При обобщении имеющих
ся данных оказалось, что из 1285 изученных видов бобовых (в широ
ком понимании этой группы) клубеньки отсутствовали у 166 (13,0%),
в том числе у 77,4% изученных цезальпиновых, у 13% мимозовых и 7%
мотыльковых (Fabaceae) (Е. Allen, О. Allen, 1961).
Отсутствие клубеньков на корнях не всегда означает неспособ
ность данного вида бобовых к симбиозу с клубеньковыми бактериями,
иногда это происходит из-за местных условий, неблагоприятных для
образования клубеньков, или потому, что в почве нет соответствующих
рас клубеньковых бактерий. В то же время наличие клубеньков на
корнях бобовых не всегда указывает на активную фиксацию азота
клубеньковыми бактериями. Установлено, что многочисленные мелкие
белые клубеньки на боковых корнях травянистых бобовых образованы
малоэффективной расой клубеньковых бактерий, не способной связы
вать атмосферный азот или фиксирующей его в незначительном коли
честве, в то время как крупные, окрашенные в розовый цвет клубеньки
на стержневом корне обычно характеризуют энергично идущий про
цесс усвоения азота.
24
Научная электронная библиотека ЦНСХБ
elib.cnshb.ru
Тема 9. Экология прокариот
История учения. Основоположники экологического направления в микробиологии (С.Н. Виноградский, В. Л.Омелянский).
Распространение микроорганизмов в природе.
Влияние физических и химических факторов среды на бактерии: влажность, солнечная энергия, ультразвук, реакция среды, кислород, антисептики.
Взаимоотношения микроорганизмов. Ассоциативные взаимоотношения: метабиоз, симбиоз, комменсализм, сателлизм. Конкурентные взаимоотношения: антагонизм, паразитизм.
Антибиотики. Продуценты антибиотических веществ. Механизм действия антибиотиков. Спектр действия. Антибиотикорезестентность бактерий.
Взаимоотношения микроорганизмов с растениями. Микрофлора ризосферы. Эпифитная микрофлора растений. Фитопатогенные микроорганизмы.
Взаимоотношения микроорганизмов с человеком и животными. Нормальная микрофлора человека и животных. Патогенные микроорганизмы. Инфекции. Иммунитет. Факторы и механизмы естественной устойчивости. Иммунная система и ее функции. Центральные и переферические органы иммунной системы. Химия антигенов, их особенности. Химия антител. Моноклональные антитела. Молекулярная структура антител. Взаимоотношение антител с антигенами. Виды иммунитета. Механизм иммунного ответа. Клеточный и гуморальный иммунитет. Иммуногенетика. Генетика патогенности микроорганизмов. Гены и генные продукты, участвующие в формировании патогенного генотипа (а также вирусулентного фенотипа) микроба. Механизм взаимоотношения партнеров в системе паразит-хазяин.
Понятие о стерилизации (асептики, антисептики) и дезинфекции. Пастеризация.
Тема 10. Основы вирусологии
Происхождение вирусов. РНК-, ДНК-геномные вирусы. Структурная организация вириона. Капсиды.
Взаимоотношение вирусов с клеткой хозяина. Цикл репродукции вирусов. Хемосорбция вируса на поверхности клетки хозяина. Проникновение вируса в клетку. Реакция организма в ответ на вирусную инфекцию. Депротеинизация вируса. Синтез компонентов вируса. Морфогенез вируса. Выход вируса из клетки. Формы вирусной инфекции. Культивирование вирусов. Вирусный канцерогенез.
Понятие о вироидах, прионах и др. Прионы – «инфекционные белки», вызывающие медленно протекающие инфекции у животных и человека.
Бактериофаги. Морфотопы бактериофагов. Взаимодействие фагов с бактериальной клеткой. Лизогения. Фаговая конверсия. Резистентность фагов к физическим и химическим факторам. Практическое использование бактериофагов.
ЛИТЕРАТУРА
Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. – М., 1992.
Генкель П. А. Микробиология с основами вирусологии. – М., 1980.
Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. – М., 1990.
Жизнь растений: В 6 т. / Под ред. А.А. Федорова. – М., 1974–1982.
Колешко О. Микробиология. – Мн., 1977.
Лукомская К.А. Микробиология с основами вирусологии. – М., 1987.
Рейвн П., Эверт Р., Айкхорн С. Современная ботаника. – М., 1990. Т. 1–2.
Стейнер Р., Эдельберг Э., Ингрэм Дж. Мир микробов. – М., 1979. Т. 3.
Стрельская О.Я. Низшие растения. Систематика / Под ред. Н.А. Дорожкина. – Мн., 1985.
Чурикова В.В., Викторов Д.П. Основы микробиологии и вирусологии. – Воронеж, 1989.
Шлегель Г. Общая микробиология. – М., 1972.
studfiles.net
Взаимоотношения растений и азотфиксирующих прокариот
Обратная связь
Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать её на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:
Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:
Email: [email protected]
Мы в социальных сетях
Социальные сети давно стали неотъемлемой частью нашей жизни. Мы узнаем из них новости, общаемся с друзьями, участвуем в интерактивных клубах по интересам
ВКонтакте >
Что такое Myslide.ru?
Myslide.ru - это сайт презентаций, докладов, проектов в формате PowerPoint. Мы помогаем учителям, школьникам, студентам, преподавателям хранить и обмениваться своими учебными материалами с другими пользователями.
Для правообладателей >
myslide.ru
Современное состояние проблемы изучения симбиоза микроорганизмов с растениями
Впервые прямые доказательства наличия азотфиксирующих микроорганизмов, живущих в симбиозе с бобовыми растениями, в 1886 году получил Герман Гельригель. В 1888 году М. Бейеринк (M. Beijerinck) выделил клетки ризобий в чистой культуре. Сейчас известно, что 90 % видов бобовых (Fabaceae Lindll) обладают способностью к симбиотической фиксации азота. К числу азотфиксирующих относятся и некоторые водные растения. Например, папоротник азолла (Azolla) находится в симбиотических отношениях с азотфиксирующими цианобактериями (синезеленые водоросли). Некоторые деревья и кустарники (например, ольха, облепиха, восковик) имеют в качестве азотфиксирующих симбионтов актиномицеты. Поиск новых азотфиксирующих пар растение–микроорганизм далеко не закончен.
В 1970-80-х годах Дж. Доберейнер (J. Dobereiner) начала поиски азотфиксирующих микроорганизмов (ассоциативных азотфиксаторов), обитающих на поверхности корневой системы диких и культурных злаков. Число их видов велико, но благодаря работам доктора Дж. Доберейнер и ее последователей в центре событий оказались микроорганизмы рода азоспирилл (Azospirillum). Азоспириллы легко инфицируют корневую систему злаков и других растений. Подобно ризобиям они делятся на виды, колонизирующие преимущественно те или иные сорта злаков, фиксируют азот воздуха, могут продуцировать гормоны роста растений и обладают еще другими свойствами, положительно влияющими на рост и развитие растений.
Кроме того, известны азотфиксирующие микроорганизмы, свободноживущие в почве, на растениях, в воде. Впервые выделить культуру свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов удалось в 1893 году С.Н. Виноградскому. Он выделил почвенный спороносный анаэробный микроорганизм, относящийся к роду Clostridium (клостридий) и назвал его Clostridium pasteurianum. В 1901 году М. Бейеринк (M. Beijerinck) выделил аэробно живущий почвенный микроорганизм азотобактер (Azotobacter), способный к азотфиксации, неприхотливый при выращивании. Этот микроорганизм интенсивно исследуют не только как удобную модельную культуру, но и применяют в технологии обогащения сельскохозяйственных посевов биологическим азотом. С тех пор коллекции свободноживущих азотфиксаторов постоянно увеличиваются, особенно с 1949 года, когда в арсенал методов регистрации фиксации азота вошли метод изотопных индикаторов (15N2) и реакция восстановления ацетилена в этилен, катализируемая основным ферментом системы азотфиксации – нитрогеназой.
Систематика ризобий
Ризобии представляют собой грамотрицательные бактерии, образующие клубеньки с растениями семейства бобовых. Их систематика долгое время базировалась на хозяйской специфичности, проявляемой по отношению к разным видам бобовых растений [3]. Но применение современных методов таксономии (геносистематика, нумерический анализ) показало, что систематика ризобий, основанная на филогенетическом родстве между разными их группами, не всегда совпадает с традиционной (табл. 1). Клубеньковые бактерии теперь делят на пять родов [9]: Azorhizobium, Rhizobium Mesorhizobium, Sinorhizobium (быстрорастущие) и Bradyrhizobium (медленнорастущие). Данные роды принадлежат к a-подгруппе протеобактерий, но их различия по культурально-биохимическим признакам и составу ДНК говорят о полифилетическом происхождении ризобий, т.е. их дивергенция от «общего предка» произошла задолго до появления бобовых растений [9, 20]. Так как последние образовались в позднем меловом или раннем третичном периоде [12, 24], то, по-видимому, бобовые растения-хозяева и сыграли основную роль в возникновении бобово-ризобиалього симбиоза.
Этапы развития симбиоза ризобий с бобовыми
Развитие симбиоза можно разделить на три основных этапа: преинфекция, инфекция и развитие клубенька, функционирование клубенька (табл. 2).
I. Преинфекция. Происходит взаимное узнавание партнеров и подготовка к формированию симбиотической системы. Растение в нано- или пикомолярных концентрациях начинает продуцировать специфичные флавиноиды, которые активируют гены вирулентности (Nod-гены) ризобий [23]. Nod-гены кодируют синтез Nod-факторов (липоолигосахаридов), вызывающих у растения-хозяина скручивание корневых волосков и образование клубеньковой меристемы [2].
II. Инфекция и развитие клубеньков. В месте резкого сгиба волоска пектолитические ферменты растения разрушают клеточную стенку, через которую бактерии и проникают внутрь. Вокруг этих бактерий образуется полость – инфекционная нить, стенки ее образованы растительными клетками, а внутреннее пространство заполнено полисахаридами растения и микросимбионта [20].
Далее происходит эндоцитоз ризобий из инфекционной нити внутрь клеток растения-хозяина. В цитоплазме растительной клетки бактерии окружаются специальными перибактероидными мембранами (ПБМ), синтезируемыми в основном растительной клеткой и частично ризобиями [2]. Количество ризобиальных клеток внутри ПБМ зависит от вида растений: 5-10 – у вигны, фасоли и сои, по одной – у гороха, люцерны и клевера. Бактериальные клетки, окруженные общей ПБМ, называются симбиосомой и являются основной структурно-функциональной единицей симбиоза [24]. Большинство бобовых образуют внутриклеточный симбиоз с ризобиями, идущий по механизму «двойного эндоцитоза» (рис. 1). Вскоре ризобии в ПБМ преобразуются в особые симбиотические формы – бактероиды, имеющие в три-пять раз большие размеры, чем свободноживущие бактерии [26]. Все это способствует формированию на поверхности корней клубеньков. Морфология и число клубенька строго определяется растением-хозяином, что возможно связано с большой энергоемкостью их образования [17].
На поздних стадиях симбиоза проявляются такие важные для селекции растений признаки, как азотфиксирующая активность (скорость восстановления N2 в Nh5+) и симбиотическая эффективность (способность растений интенсивно развиваться, используя симбиотрофное питание азотом). Хотя симбиотическая эффективность в основном определяется азотфиксирующей активностью клубеньков, но также зависит от совместимости метаболических систем партнеров и отсутствия активных защитных реакций растений на проникновение ризобий [2].
Организация клубеньков и биохимия азотфиксации
Микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот, называются диазотрофами. Азотфиксирующий клубенек состоит из следующих частей: а) инфицированная бактериями ткань, б) проводящая ткань, поставляющая углеводы и выносящая продукты азотфиксации, в) меристема, за счет которой идет рост клубенька.
Основным элементом симбиоза является нитрогеназа – многомерный фермент, состоящий из комплекса двух белков: MoFe-белка и Fe-белка. Нитрогеназы из разных азотфиксаторов несколько различаются своими молекулярными массами и содержанием металлов. Каждый из белков, в свою очередь, состоит из нескольких субъединиц. Молекулярная масса MoFe-белка различных нитрогеназ находится в пределах 200-250 кДа. Фермент содержит по два атома молибдена, 28-34 атома железа и 18-24 атома серы на одну молекулу. Молекулярная масса Fe-белка колеблется от 50 до 70 кДа и также содержит атомы железа и серы с молекулярной массой около 300 кДа [16]. Нитрогеназа синтезируется в бактероидах и является катализатором фиксации азота:
N2 + 8H+ + 8e– + 16 АТФ = 2 Nh4 + h3 + 16 АДФ + 16 Фн.
Этот процесс требует затраты энергии. Азотфиксатору дорого обходится восстановление даже одной молекулы N2. По расчетам для клеток Rhizobium восстановление одной молекулы N2 требует затраты 25-35 молекул АТФ, то есть на каждый грамм фиксированного азота расходуется три-шесть грамм органического углерода. Другими словами, растение в клубеньки поставляет 30-40 % продуктов фотосинтеза. Примерно половина из них возвращается в надземную часть в виде азотистых соединений.
Нитрогеназа обладает низкой субстратной специфичностью, т.е. обладает способностью восстанавливать широкий спектр соединений с тройной связью, например, превращать ацетилен в этилен. Данная реакция применяется для определения нитрогеназной активности ацетиленовым методом [18]. Для активной работы нитрогеназы необходимы микроаэрофильные условия, которые в клубеньке обеспечиваются диффузным барьером (слой плотно прилегающих друг к другу клеток во внутреннем кортексе) и синтезом леггемоглобина (гемоглобинподобный белок, синтезируемый растительными клетками). Леггемоглобин связывает O2, транспортирует его к симбиосомам, обеспечивая дыхательную активность клубеньков. Он составляет 30 % белка в клубеньках и придает им ярко-розовый цвет. Леггемоглобин напоминает по своей структуре и функции гемоглобин человека и животных, специализирующийся, как известно, на транспорте О2 и СО2. Леггемоглобин расположен в клетках клубеньков, где живут азотфиксирующие микроорганизмы. Нитрогеназный комплекс, образующий аммиак из воздуха, действует по физико-химическим законам очень экономно. Если в среде обитания достаточно ионов аммония или нитратов, он прекращает работу. Потребление растениями аммиака, образовавшегося при азотфиксации или восстановлении нитратов почвы, осуществляется ферментами, связанными с биосинтезом так называемых первичных аминокислот, прежде всего глютаминовой, аспарагиновой кислот и их амидов. В конечном итоге азот в виде аминогрупп вовлекается в серию биосинтетических реакций организма, поддерживая его жизненные функции.
Диазотрофы. Если молекулярные механизмы фиксации азота разными диазотрофами очень схожи, то биология самих диазотрофов весьма различна. Во-первых, они могут являться бактериями, низшими грибами и водорослями, во-вторых, их рост, развитие, взаимоотношение с растениями и почвой имеют свои характерные отличительные черты. Так относящиеся к симбиотическим азотфиксаторам клубеньковые бактерии рода Rhizobium представляют собой микроорганизмы со средними размерами 0.7-1.8 мкм. Они подвижны в молодом возрасте, делятся перешнуровыванием и в дальнейшем теряют подвижность. Живут они в почве, на поверхности растений и способны при инфицировании бобовых вызывать образование клубеньков на корнях.
В основе способности инфицировать корневую систему хозяина лежит сложнейший и не вполне ясный молекулярный механизм, имеющий решающее значение в симбиотической фиксации азота. Обычно рассматриваются несколько его стадий. Первая – приближение микробной клетки к растению за счет ее способности передвигаться в ответ на узнавание химических продуктов, выделяемых из корней растения. Этот процесс называется хемотаксисом. Вторая стадия – контактное взаимодействие микроорганизма с растением. В этом процессе важное место отводится так называемому лектин-углеводному узнаванию растения микроорганизмом. Лектин корневых волосков растений – углеводузнающий белок. Он узнает углевод поверхности бактерий и прочно связывается с ним. Третья стадия – механохимическая и весьма загадочная по технике исполнения. Бактерии, внедрившиеся в молодой корневой волосок, в виде так называемых инфекционных нитей прорастают вдоль волоска, как бы перетекают в тетраплоидные клетки коры и вызывают их быстрое деление. Они заполняют своим содержимым внутренность растительных клеток. Так как заражение бывает множественным, ткани корня в зоне проникновения микроорганизмов растут интенсивнее с образованием клубеньков, клетки которых буквально нафаршированы бактериями. Микробы при этом меняются и сами, они теряют клеточную стенку, изменяют свои размеры, геометрию. Кроме того, все они обволакиваются растительным белком – леггемоглобином. Размеры и число клубеньков на корнях бобовых в первом приближении указывает на эффективность азотфиксации. Азотфиксация и образование клубеньков подавляются при обильном и экологически вредном использовании химических азотных удобрений.
Ассоциативные азотфиксаторы
Ассоциативные азотфиксаторы, принадлежащие к различным родам и видам, имеют индивидуальные особенности в анатомическом строении, физиологии, биохимии и, естественно, в процессах взаимоотношения с растением. Разнообразие ассоциативных взаимоотношений растений с микроорганизмами очень велико. Часто микробиологи не делают различия между ассоциативными и свободноживущими азотфиксаторами. Однако ассоциативные взаимоотношения касаются, прежде всего, так называемых ризосферных микроорганизмов, то есть тех микроорганизмов, которые живут на поверхности корневой системы растений. Микробы как бы колонизируют поверхность корневой системы. При этом просматриваются черты взаимоотношений, напоминающие взаимоотношения с растением симбиотических азотфиксаторов. Имеются те же этапы: хемотаксическое узнавание, лектин-углеводное узнавание и этапы установления прочных связей, обусловленные обменом веществ, полезным и растению, и микроорганизмам. При этом отсутствует этап образования клубеньков. Эффективность азотфиксации ассоциативной микрофлорой по сравнению с симбиотической не столь велика, однако у ассоциативных азотфиксаторов имеются важные свойства, позволяющие помочь растению в его росте и развитии (синтез фитогормонов, защита от фитопатогенов, разрушение токсических веществ).
Из числа хорошо изученных азотфиксаторов выделяются микроорганизмы рода азоспирилл. Они очень интересны, так как колонизируют корни злаков и могут быть полезны в технологии их выращивания. Азоспириллы, впервые выделенные М. Бейеринком в 1925 году в виде Spirillum lipoferum Beijerinckii, были вновь открыты доктором Дж. Доберейнер в 1976 году и с тех пор благодаря ее инициативе быстро попали в сферу интенсивного изучения.
Очень интересны ассоциативные взаимоотношения синезеленых водорослей с водным папоротником азоллой, растущим в воде рисовых полей Вьетнама, Китая, Индонезии. Естественно, что биология этого явления и особенности самих синезеленых водорослей имеют свою специфику и привлекают к себе внимание многих биологов и технологов-рисоводов. Грань между симбиозом и ассоциативностью при анализе многих азотфиксирующих пар растение–микроорганизм размыта.
Везикулярно-арбускулярная микориза (ВАМ)
Наиболее древней формой симбиоза растений с микроорганизмами является микориза (возникла 400-450 млн. лет назад, а бобово-ризобиальный симбиоз – 60-70 млн. лет назад) [6, 16], которая образуется при колонизации грибами корней растений. Микоризы образуются у 90 % видов наземных растений [1]. При этом грибы являются посредниками между растениями и почвой, обеспечивая хозяев питательными веществами. Выделяют эндомикоризу (гифы гриба проникают внутрь клеток растений) и эктомикоризу (факультативна для обоих симбионтов).
Большое распространение имеет неспецифичная форма эндомикоризы – везикулярно-арбускулярная микориза (ВАМ), образуемая большинством наземных растений. ВАМ образуется под действием грибов-зигомицетов из порядка Glomales, для которых симбиоз является облигатной стадией. Для растений же ВАМ может быть как облигатным (многолетние формы и растения со слабо развитой корневой системой), так и факультативным. ВАМ растения в основном образуют при недостатке фосфора. Развитие ВАМ можно разделить на три этапа: преинфекционные взаимодействия, формирование межклеточного мицелия, развитие внутриклеточной симбиотической структуры [1] (рис. 2). На первом этапе споры гриба прорастают в почве под действием растительных выделений и образуют специальные структуры прикрепления – апрессории. Во втором этапе из апрессорий во внутрь 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 [1]. Арбускулы являются местами наиболее интенсивного обмена партнеров метаболитами, в частности передачи в растение фосфатов, поглощаемых грибом из почвы. Арбускулы существуют в течение нескольких дней, после лизируются хозяином, а взамен гифы в кортексе корня образуют новые арбускулы.
Весь процесс образования ВАМ у растений контролируется комплексом симбиотических генов (например, SYM-8, SYM-19 и SYM-30 гены гороха) [1], аналогичных nod-генам. У бобовых процесс образования и бобово-ризобильного симбиоза, и ВАМ контролируется одними и теми же генами (например, SYM гены гороха).
Мицелии Glomus fasciculatum в ВАМ переводят нерастворимые формы фосфатов в растворимые, обеспечивая растение фосфатами. Таким образом, грибы-зигомицеты из порядка Glomales могут быть использованы в сельском хозяйстве для обеспечения растений фосфатами.
Применение азотфиксаторов на практике
Открытие азотфиксаторов привело к созданию так называемых микробных удобрений. Уже в 1895 году Наббе и Хилтнером запатентован препарат микробной культуры Nitragin. Он выпускался в 17 вариантах для различных растений. Препарат представлял собой культуры азотфиксирующих микроорганизмов, смешанных с почвой, торфом, песком, навозом и другими субстратами. Внесение нитрагина в почву или обработка семян назывались инокуляцией и позволяли фермеру повысить качество и количество продукции. В первой половине XX века наблюдался неуклонный рост научно-исследовательских работ по созданию перспективных микробных препаратов для бобовых и небобовых культур.
Сейчас спектр применяемых микропрепаратов под бобовые, злаковые и другие культуры довольно широк. В конце XX века во многих странах нитрагенизации подвергается 70-80 % бобовых культур. В районах традиционного возделывания бобовых культур прибавка урожая от применения нитрагина оставляет 2-4 ц/га зерна сои, 1-2 ц/га зерна гороха и люпина, 80-100 ц/га зеленой массы бобовых культур, 6-12 ц/га сена клевера и люцерны [4]. На почвах, где бобовые культуры ранее не возделывались и в которых нет специфичных для них клубеньковых бактерий, дополнительный сбор сельскохозяйственной продукции за счет применения препаратов клубеньковых бактерий достигает 50-100 % и более [7].
Штаммы ризобий, используемые для инокуляции сельскохозяйственных бобовых культур, обычно выделяются из клубеньков этих же видов [3, 5]. Но данные ряда авторов показывают, что в качестве источника таких штаммов могут быть использованы и некоторые дикорастущие виды бобовых. Так штаммы Bradyrhizobium, выделенные из клубеньков дикорастущего вида Arachis duranensis Benth., превосходят штаммы, выделенные из клубеньков культурного вида A. hypogaea L., по эффективности симбиоза с A. hypogaea [25]. Штаммы R. leguminosarum bv. viceae, выделенные из клубеньков дикорастущих видов Vicia L. в Средней Азии, проявили неменьшую эффективность симбиоза с V. villosa, чем штаммы, выделенные из V. villosa. При этом степень таксономического родства V. villosa и видов – источников штаммов не связана с эффективностью симбиоза, образуемого этим штаммом с V. villosa [8]. Штаммы R. leguminosarum bv. trifolii, выделенные из клубеньков дикорастущих видов Trifolium (T. paucifolium Nutt., T. glomeratum L.), не менее эффективны в симбиозе с культурными видами T. subterraneum L. и T. repens L., чем штаммы, выделенные из этих культурных видов [14].
Использование препаратов с активными по азотфиксации штаммами ризобий не всегда может дать полную гарантию получения высокого хозяйственного эффекта, так как доминантная роль принадлежит растению, предопределяющему эффект азотфиксации [11]. К тому же высокая продуктивность бобовых при инокуляции штаммами ризобий на Севере тормозится низкими температурами, коротким вегетационным периодом и кислыми подзолистыми почвами (pH 4-5). К этим жестким условиям наиболее приспособлены природные популяции штамма Rhizobium leguminosarum bv. trifolii. Следовательно, в условиях Севера при выращивании традиционных бобовых культур (клевер луговой, клевер красный, астрагал и т.д.) перспективна аналитическая селекция ризобий из дикорастущих видов бобовых. Для относительно "новых" бобовых растений (козлятник восточный, люпин многолистный, донник белый и т.д.) на Севере желательна инокуляция ризобиями, специфичными для "новых" бобовых, так как видоспецифичных для этих культур штаммов ризобий часто в почве нет.
С целью изучения продуктивности симбиоза бобовых с ризобиями в полевом опыте мы провели аналитическую селекцию ризобий (Rhizobium leguminosarum bv. trifolii) из местных популяций клевера лугового (Trifolium pratense). В результате этой селекции были выделены штаммы клубеньковых бактерий, образующие большое количество крупных розовых клубеньков. Этими штаммами в 2002 году была проведена инокуляция посевов клевера лугового "Трио" первого года жизни. Инокулированные природными штаммами Rhizobium leguminosarum bv. trifolii растения клевера красного образовывали на 25 % больше клубеньков, чем непроинокулированные (рис. 3А). Клубеньки, образовавшиеся на корнях инокулированных растений, имели на 20 % больше массы в отличие от клубеньков непроинокулированных растений (рис. 3Б). Хотя по морфофизиологическому состоянию (содержание пигментов, длина и масса органов растений) обе группы растений-хозяев практически не отличались. Инокуляция растений природными штаммами ризобий на первом году жизни не дала видимого эффекта, что, очевидно, связано с неблагоприятными климатическими условиями. Мы планируем продолжить данный эксперимент с целью изучения продуктивности симбиоза бобовых с ризобиями в условиях Севера.
Местные популяции некоторых видов Fabaceae (Medicago sativa L., Pisum sativum L., Phaseolus vulgaris L., Trigonella foenum-gracum L.) весьма изменчивы по активности азотфиксации, осуществляемой при симбиозе с клубеньковыми бактериями, и могут быть использованы в качестве источника исходного материала при селекции этих растений на повышение симбиотической активности [10].
Таким образом, в условиях Севера (низких температур, pH почвы 4-5, обусловленная Al3+, нерастворимых форм фосфатов в почве, короткого вегетационного периода) перспективна:
1) аналитическая селекция штаммов ризобий из дикорастущих популяций бобовых для инокуляции сельскохозяйственных бобовых;
2) инокуляция культурных растений грибами-зигомицетами из порядка Glomales, переводящими нерастворимые формы фосфатов в растворимые. В частности инокуляция Glomus fasciculatum;
3) совместная инокуляция бобовых ризобиями и Agrobacterium, Arthrobacter;
4) инокуляция злаковых Agrobacterium, Arthrobacter, Flavobacterium.
ЛИТЕРАТУРА
1. Генетика развития растений / Л.А Лутова, Н.А. Проворов, О.Н. Тиходеев, И.А. Тихонович. СПб.: Наука, 2000. С. 344-384.
2. Генетика симбиотической азотфиксации с основами селекции / Под ред. И.А. Тихоновича, Н.А. Проворова. СПб.: Наука, 1998. 208 с.
3. Доросинский Л.М. Клубеньковые бактерии и нитрагин. Л., 1970. 191 с.
4. Доросинский Л.М., Кожемяков А.П. Эффективность применения нитрагина в СССР // Бюл. ВНИИСХМ. Л., 1981. № 34. С. 3-6.
5. Израильский В.П., Рунов Е.В., Бернард В.В. Клубеньковые бактерии и нитрагин. М., 1933. 232 с.
6. Каратыгин И.В. Коэволюция грибов и растений // Труды Ботанического ин-та РАН, 1993. Вып. 9. С. 1-118.
7. Кожемяков А.П. Основные итоги работы географической сети опытов с нитрагином // Технология производства и эффективность применения бактериальных удобрений. М., 1982. С. 19-27.
8. Курчак О.Н., Проворов Н.А., Симаров Б.В. Эффективность симбиоза с клубеньковыми бактериями у различных видов рода Vicia L. // Раст. ресурсы, 1995. Т. 31, № 1. С. 88-93.
9. Новикова Н.И. Современные представления о филогении и систематике клубеньковых бактерий // Микробиология, 1996. Т. 65, № 4. С. 437-450.
10. Проворов Н.А. Перспективы использования популяций некоторых видов сем. Fabaceae в селекции на повышение интенсивности симбиотической азотфиксации // Раст. ресурсы, 1996. Т. 32, № 3. С. 124-134.
11. Хотянович А.В. Методы культивирования азотфиксирующих бактерий, способы получения и применения препаратов на их основе (методические рекомендации). Л., 1991. 5 с.
12. Яковлев Г.П. Бобовые земного шара. Л.: Наука, 1991. 144 с.
13. Brewin N.J., Ambrose M.J., Downie J.A. Root nodules, Rhizobium and nitrogen fixation // Peas: Genetics, molecular biology and biotechnology. Wallingford, 1993. P. 237-290.
14. Brockwell J.A., Katznelson J. Symbiotic characteristics of Rhizobium trifolii from Israel in association with 10 species of Trifolium // Austral. J. Agric. Res., 1976. Vol. 27, № 6. P. 799-810.
15. Ceatano-Anolles G., Gresshoff P.M. Plant genetic control of nodulation // Ann. Rev. Microbiol., 1991. Vol. 45. P. 345-382.
16. Doyle J.J., Doyle J.L. Philogenetic perspectives on the origins and evolution of nodulation in the legumes and allies // Biological fixation of nitrogen for ecology and sustainable agriculture / Eds. A. Legocki, H. Bothe, A. Puhler. Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 1997. P. 307-312. – (NATO ASI Ser. Ecol. Sci.; Vol. 39).
17. Gresshoff P.M., Ceatano-Anolles G. Systemic regulation of nodulation in legumes // Plant biotechnology development. London-Tokyo: CRC Press, 1992. P. 87-100.
18. Hardy R.W.F., Burns R.C., Holstein R.D. Application of the acetylene reduction assay for measurement of nitrogen fixation // Soil Biol. Biochem., 1973. Vol. 5. P. 47-81.
19. Kijne J.M. The Rhizobium infection process // Biological nitrogen fixation. New-York-London, 1992. P. 349-398.
20. Martinez E. Recent developments in Rhizobium genome // Plant and Soil, 1994. Vol. 161. P. 11-20.
21. Newton W.E. Nitrogen fixation: some perspectives and prospects // Proc. 1st European nitrogen fixation conference. Szeged, 1994. P. 1-6.
22. Norris D.O. Legumes and Rhizobium symbiosis // Empire. J. Exp. Agr., 1956. Vol. 24. P. 246-270.
23. Physiology of behavioral mutants of Rhizobium meliloti: evidence for a dual chemotaxis pathway / K. Bergman, M. Gulash-Hoffee, R.E. Hovestadt et al. // J. Bacterial., 1988. Vol. 170. P. 3249-3254.
24. Roth L.T., Stacey G. Bacterium release into host cells of nitrogen-fixing soybean nodules: the symbiosome membrane comes from three sources // Eur. J. Cell. Biol., 1989. Vol. 49. P. 13-23.
25. Singh C.D., Dadarwal K.R., Subba Rao N.S. Effectiveness of rhizobia from wild species of Arachis on the cultivated species A. hypogaea and their physiological characteristics // Zblt. Bakt. II. 1976. Bd 131, № 1. Р. 72-78.
26. Werner D. Physiology of nitrogen-fixing legume nodules: compartments and functions // Biological nitrogen fixation. New-York-London, 1992. P. 399-431.
Логотип - Начало - Общие сведения - Структура - Научная деятельностьИнформационные ресурсы - Новости - Поиск по серверу - Карта сервера
поиск по серверуbiohim2005.narod.ru
Клубеньковые бактерии – симбиотические организмы, фиксирующие азот
Клубеньковые бактерии представляют собой микроорганизмы, которые относятся к роду Rhizobium (дословно с греч. – "живущие на корнях"). Они внедряются в корневую систему растения и там живут. При этом они не являются паразитами, т. к. не только бактерии, но и сам представитель флоры получает пользу. Такое взаимовыгодное существование организмов называется симбиозом. В данном случае растения дополнительно получают атмосферный азот, который "ловят" микроорганизмы, а сами бактерии – углеводы и минеральные вещества. Бытует мнение, что данные прокариоты поселяются в корнях только представителей семейства бобовых, однако это не так. Существуют и другие растения, корни которых служат местом обитания клубеньковых прокариот – например, ольха, вейник лесной и т. д.
Для организмов рода Rhizobium характерна полиморфность, т. е формы бактерий очень разнообразны. Данные микроорганизмы могут быть подвижными и неподвижными, иметь форму кокка или палочки, нитевидную, овальную. Чаще всего молодые прокариоты имеют палочковидную форму, которая с ростом и возрастом изменяется за счет накопления питательных веществ и обездвиживания. В своем жизненном цикле микроорганизм проходит несколько стадий, о которых можно судить по его внешнему виду. Изначально это форма палочки, затем так называемой "опоясанной палочки" (имеет пояски с жировыми включениями) и, наконец, бактериод – крупная неподвижная клетка неправильной формы.
Клубеньковые бактерии обладают специфичностью, т. е. они способны поселяться только у 
определенной группы или вида растений. Это свойство у микроорганизмов сформировалось генетически. Также важной является и эффективность – способность накапливать атмосферный азот в достаточном количестве для своего растения-хозяина. Данное свойство не является постоянным и может изменяться из-за условий обитания.
О том, как клубеньковые бактерии попадают в корень, нет единого мнения, однако существует ряд гипотез о механизме их проникновения. Так, некоторые ученые считают, что прокариоты внедряются в корень через повреждения его тканей, а другие говорят о проникновении через корневые волоски. Также существует ауксинная гипотеза – предположение о клетках-спутниках, которые помогают бактериям внедряться в клетки корня.
Само же внедрение происходит в две фазы: сперва – инфицирование корневых волосков, затем – образование клубеньков. Длительность фаз различна и зависит от конкретного вида растения.
Значение бактерий, которые способны фиксировать азот, велико для сельского хозяйства, т. к. именно эти организмы могут повышать урожайность. Из данных микроорганизмов готовят бактериальное удобрение, которое используют для обработки семян бобовых, что способствует более быстрому инфицированию корней. Различные виды семейства мотыльковых при посадке даже на бедных почвах не требуют дополнительного внесения азотных удобрений. Так, 1 га бобовых «в работе» с клубеньковыми бактериями в течение года переводит в связанное состояние 100-400 кг азота.
Таким образом, клубеньковые бактерии – симбиотические организмы, которые очень важны не только в жизни растения, но и круговороте азота в природе.
fb.ru
.jpg)
