Нодулните бактерии са в състояние да се асимилират. Нодулните бактерии са симбиотични азотфиксиращи организми.

Нодулните бактерии са първата група фиксиращи азот микроби, познати на човечеството.

Преди около 2000 години фермерите забелязали, че отглеждането на бобови растения връща плодородието на изтощена почва. Това особено свойство на бобовите растения се свързва емпирично с наличието на особени възли или възли по корените им, но дълго време не можеха да обяснят причините за това явление.

Отне много повече изследвания, за да се докаже ролята на бобовите растения и бактериите, живеещи в корените им, за фиксирането на атмосферния азотен газ. Но постепенно, чрез работата на учени от различни страни, природата беше разкрита и свойствата на тези прекрасни създания бяха подробно проучени.

Нодулните бактерии живеят с бобови растения в симбиоза, т.е. носят взаимна полза една на друга: бактериите абсорбират азот от атмосферата и го превръщат в съединения, които могат да се използват от растенията, а те от своя страна доставят на бактериите вещества, съдържащи въглерод, който раните абсорбират от въздуха под формата на въглероден диоксид.

Извън възли върху изкуствени хранителни среди, нодулните бактерии могат да се развият при температури от 0 до 35°C, като най-благоприятните (оптимални) за тях са температури от порядъка на 20–31°C. Най-доброто развитие на микроорганизмите обикновено се наблюдава в неутрална среда (при pH 6,5-7,2).

В повечето случаи киселинната реакция на почвата влияе неблагоприятно върху жизнената активност на нодулните бактерии; в такива почви се образуват неактивни или неефективни (нефиксиращи азот във въздуха) раси от тях.

Първите изследователи на нодулните бактерии предположиха, че тези микроби могат да се заселят върху корените на повечето видове бобови растения. Но след това беше установено, че те имат определена специфика, имат свои собствени "вкусове" и "отдаване под наем" на бъдещото "жилище" в строго съответствие с техните нужди. Една или друга раса нодулни бактерии може да влезе в симбиоза с бобови растения само от определен вид.

Понастоящем нодулните бактерии са разделени на следните групи (според растенията гостоприемник, върху които се заселват):

• нодулни бактерии от люцерна и сладка детелина;
• нодулни бактерии от детелина;
• кореноплодни бактерии от грах, фий, брадичка и фуражни зърна;
• бактерии от соеви възли;
• нодулни бактерии от лупина и серадела;
• бобови възли бактерии;
• нодулни бактерии от фъстъци, кави, кави и др.

Трябва да се каже, че спецификата на нодулните бактерии в различните групи не е еднаква. Придирчивите „наематели“ понякога губят своята скрупулност. Докато нодулните бактерии от детелина се отличават с много строга специфичност, същото не може да се каже за бактериите от нодули от грах.

Способността да се образуват възли не е характерна за всички бобови растения, въпреки че като цяло е широко разпространена сред представителите на това огромно семейство. От 12 хиляди вида бобови растения специално са проучени 1063. Оказа се, че 133 от тях не са в състояние да образуват възли.

Способността за симбиоза с азотфиксатори изглежда не е уникална за бобовите растения, въпреки че в селското стопанство те са единствените важни азотфиксиращи култури. Установено е, че атмосферният азот се свързва с бактерии, живеещи в нодули по корените на смукачка, морски зърнастец, овчарка, лъчист бор, крак, таралеж, субтропични растения от род казуарина. Способен да фиксира азот и бактерии, живеещи във възлите на листата на някои тропически храсти.

Фиксирането на азот се извършва и от актиномицети, живеещи в нодулите на корените на елша, и вероятно гъбички, живеещи в корените на райграс и някои растения от пирен.

Но за селското стопанство, разбира се, най-голям практически интерес представляват бобовите култури. Повечето от отбелязаните небобови растения нямат селскостопанска стойност.

Въпросът е много важен за практиката: как нодулните бактерии живеят в почвата, преди да заразят корените?

Оказва се, че ризобията може да се задържи в почвата много дълго време при липса на "гостоприемници" - бобови растения. Да вземем пример. В Московската селскостопанска академия на името на К. А. Тимирязев има полета, заложени от Д. Н. Прянишников. Върху тях от година на година се отглеждат едни и същи земеделски култури и се запазва постоянна угар, върху която почти 50 години не се отглеждат растения. Анализът на почвите от тази угар и полето с трайна ръж показа, че в тях се откриват в значителни количества нодулни бактерии. Под трайната ръж има няколко повече, отколкото в чифт.

Следователно, ризобиите оцеляват сравнително добре при липса на бобови растения и могат да чакат много дълго време, за да се срещнат с тях. Но при тези условия те губят забележителната си способност да оправят бункера. Бактериите обаче с „удоволствие“ спират своя „свободен начин на живот“, щом по пътя им се изпречи подходящо бобово растение, те веднага проникват в корените и създават своите възли.

В сложния процес на образуване на възли участват три фактора: два живи организма – бактерии и растения, между които се установяват тесни симбиотични връзки, и условия на околната среда. Всеки от тези фактори е активен участник в процеса на образуване на възли.

Една от важните особености на нодулните бактерии е способността им да отделят т. нар. стимулиращи вещества; тези вещества предизвикват бърз растеж на кореновите тъкани.

Другата им съществена характеристика е способността да проникват в корените на определени растения и да предизвикват образуване на възли, с други думи, тяхната инфекциозна способност, която, както вече споменахме, е различна за различните раси нодулни бактерии.

Ролята на бобовото растение при образуването на възли се определя от способността на растенията да отделят вещества, които стимулират или инхибират развитието на бактерии.

Податливостта на бобово растение към инфекция с нодулни бактерии се влияе до голяма степен от съдържанието на въглехидрати и азотни вещества в тъканите му. Изобилието от въглехидрати в тъканите на бобово растение стимулира образуването на възли, докато увеличаването на съдържанието на азот, напротив, инхибира този процес. По този начин, колкото по-високо е съотношението C/N в растението, толкова по-добро е развитието на нодулите.

Интересното е, че азотът, съдържащ се в тъканите на растението, така да се каже, пречи на въвеждането на "извънземен" азот.

Третият фактор – външни условия (осветление, батерии и др.) също оказва значително влияние върху образуването на възли.

Но нека се върнем към характеристиката на някои видове нодулни бактерии.

Инфекциозната способност или способността за образуване на възли не винаги показва колко активно нодулните бактерии фиксират атмосферния азот. "Ефективността" на нодулните бактерии при фиксиране на азот често се нарича тяхната ефективност. Колкото по-висока е ефективността, толкова по-голяма е ефективността на тези бактерии, толкова по-ценни са те за растението, а оттам и за селското стопанство като цяло.

Раси от нодулни бактерии се намират в почвата, ефективни, неефективни и преходни между тези две групи. Инфекцията на бобови растения с ефективна раса на нодулни бактерии насърчава активното фиксиране на азота. Неефективното състезание причинява образуването на възли, но в тях не се осъществява азотна фиксация, следователно строителният материал се губи напразно, растението храни своите „гости“ за нищо.

Има ли разлики между ефективните и неефективните раси на нодулни бактерии? Досега не са открити подобни разлики във формата или поведението на изкуствени хранителни среди. Нодулите, образувани от ефективни и неефективни раси, показват някои разлики. Например, има мнение, че ефективността е свързана с обема на кореновите тъкани, заразени с бактерии (при ефективните състезания е 4-6 пъти по-голям, отколкото при неефективните) и продължителността на функционирането на тези тъкани. В тъканите, заразени с ефективни бактерии, винаги се откриват бактероиди и червен пигмент, който е напълно идентичен с кръвния хемоглобин. Нарича се легхемоглобин. Неефективните възли имат по-малък обем инфектирана тъкан, липсва им легхемоглобин, бактероидите не винаги се откриват и изглеждат различно, отколкото при ефективните възли.

Тези морфологични и биохимични различия се използват за изолиране на ефективни раси от нодулни бактерии. Обикновено бактериите, изолирани от големи, добре развити възли с розов цвят, са много ефективни.

Вече беше казано по-горе, че „работата“ на нодулните бактерии и нейната „ефективност“ зависят от редица външни условия: температура, киселинност на околната среда (pH), осветление, доставка на кислород, съдържание на хранителни вещества в почвата и др.

Ефектът на външните условия върху фиксирането на атмосферния азот от кореновите нодулни бактерии може да бъде илюстриран с няколко примера. Така че, значителна роля в ефективността на азотфиксацията играе съдържанието на нитратни и амониеви соли в почвата. В началните фази на развитие на бобовите растения и образуване на нодули, наличието на малки количества от тези соли в почвата има благоприятен ефект върху симбиотичната общност; и по-късно същото количество азот (особено неговата нитратна форма) инхибира азотната фиксация.

Следователно, колкото по-богата е почвата с азот, достъпен за растението, толкова по-слабо протича азотната фиксация. Азотът, съдържащ се в почвата, както и в тялото на растението, така да се каже, предотвратява привличането на нови части от атмосферата. Наред с другите хранителни вещества, молибденът има забележим ефект върху фиксирането на азота. Когато този елемент от азот се добави към почвата, се натрупва повече. Това се обяснява, очевидно, с факта, че молибденът е част от ензимите, които фиксират атмосферния азот.

Понастоящем е надеждно установено, че бобовите култури, отглеждани в почви, съдържащи недостатъчно количество молибден, се развиват задоволително и образуват възли, но изобщо не усвояват атмосферния азот. Оптималното количество молибден за ефективно азотно фиксиране е около 100 g натриев молибдат на 1 ha.

Ролята на бобовите растения за подобряване на почвеното плодородие

Така че бобовите растения са много важни за подобряване на плодородието на почвата. Натрупвайки азот в почвата, те предотвратяват изчерпването на нейните запаси. Ролята на бобовите растения е особено голяма в случаите, когато се използват за зелени торове.

Но практикуващите селско стопанство, разбира се, се интересуват и от количествената страна. Колко азот може да се натрупа в почвата при отглеждането на някои бобови растения? Колко азот остава в почвата, ако реколтата е напълно отстранена от полето или ако бобовите растения миришат на зелен тор?

Известно е, че в случай на заразяване на бобови растения с ефективни раси нодулни бактерии, те могат да свържат от 50 до 200 kg азот на хектар култури (в зависимост от почвата, климата, растителните видове и др.).

Според известните френски учени Пошон и Де Бергак при нормални полски условия бобовите култури фиксират приблизително следните количества азот (в kg/ha):

Кореновите остатъци на едногодишни и многогодишни бобови растения в различни условия на отглеждане и на различни почви съдържат различно количество азот. Средно всяка година люцерната оставя около 100 кг азот на хектар в почвата. Детелината и лупината могат да съхраняват около 80 кг свързан азот в почвата, годишните бобови култури оставят до 10-20 кг азот на хектар в почвата. Като се вземат предвид площите, заети от бобови растения в СССР, съветският микробиолог Е. Н. Мишустин изчисли, че те връщат годишно около 3,5 милиона тона азот в полетата на нашата страна. За сравнение посочваме, че цялата ни индустрия през 1961 г. е произвела 0,8 млн. тона азотни торове, а през 1965 г. ще произведе 2,1 млн. т. Така азотът, извлечен от въздуха от бобови растения в симбиоза с бактерии, заема водещо място в азота баланса на селското стопанство у нас.

Разпространение на нодулни бактерии в природата

Като симбиотични организми, нодулните бактерии се разпространяват в почвите, придружавайки някои видове бобови растения. След унищожаването на нодулите клетките на нодулните бактерии навлизат в почвата и започват да съществуват за сметка на различни органични вещества, подобно на други почвени микроорганизми. Почти повсеместното разпространение на нодулните бактерии е доказателство за тяхната висока степен на адаптивност към различни почвени и климатични условия, способност да водят симбиотичен и сапрофитен начин на живот.

Схематизирайки наличните към момента данни за разпространението на нодулните бактерии в природата, можем да направим следните обобщения.

В девствените и култивираните почви обикновено в големи количества присъстват нодулни бактерии от онези видове бобови растения, които се срещат в дивата флора или са били култивирани дълго време в даден район. Броят на нодулните бактерии винаги е най-висок в ризосферата на бобовите растения, малко по-малко в ризосферата на други видове и малко в почвата далеч от корените.

В почвите се намират както ефективни, така и неефективни нодулни бактерии. Има много доказателства, че продължителното сапрофитно съществуване на нодулните бактерии, особено в почви с неблагоприятни свойства (киселинни, засолени), води до намаляване и дори загуба на бактериална активност.

Ориз. 1 - Нодули по корените на елша (според J. Becking)

Кръстосаното заразяване на различни видове бобови растения често води в природата и селскостопанската практика до появата на нодули по корените, които не фиксират активно молекулния азот. Това, като правило, зависи от отсъствието на съответните видове нодулни бактерии в почвата.

Особено често това явление се наблюдава при използване на нови видове бобови растения, които или са заразени с неефективни видове кръстосани бактерии, или се развиват без възли.

Ориз. 2 - Нодули по корените на трибулус (според О. Алън)

Нодулните бактерии се използват за промишленото производство на нитрагин, който се използва за третиране на семената на бобови растения. Те са открити за първи път от М. С. Воронин през 1866 г. По-късно М. В. Бейеринк (1888) ги изолира в чиста култура и подробно ги изследва от микробиолози и физиолози. Бактериите проникват в корените на бобовите растения през кореновата коса и проникват във вътрешната обвивка на корена, в паренхима, причинявайки засилено клетъчно делене и пролиферация. Върху корените се образуват грозни израстъци, наречени възли или възли. Отначало бактериите абсорбират хранителните вещества на растението и донякъде потискат растежа му. След това, когато възеловата тъкан расте, се установява симбиоза между бактериите и висшите растения. Бактериите получават въглеродна храна (захар) и минерали от растението, а в замяна му осигуряват азотни съединения.

Нодулните бактерии се заселват в почвата, размножават се и проникват в кореновите клетки през дупките в кореновите власинки на бобовите растения. В клетките се наблюдава засилено размножаване на нодулни бактерии и успоредно с това се наблюдава интензивно делене на кореновите клетки, заразени с нодулни бактерии.

Нодулните бактерии доставят на бобовите растения азот. Растението използва този свързан азот и от своя страна снабдява нодулните бактерии с въглерод-съдържащата органична материя, от която се нуждаят. Нодулните бактерии могат да използват различни захари и алкохоли като източник на въглерод.

Нодулните бактерии са микроаерофили (те се развиват с малки количества кислород в околната среда), но предпочитат аеробни условия. Нодулните бактерии, които са излезли от нишката на инфекцията, продължават да се размножават в тъканта на гостоприемника. По-голямата част от бактериите се размножават в цитоплазмата на клетката, а не в нишката на инфекцията. Те се развиват най-интензивно, когато реакцията на почвата е близка до неутрална. Ето защо при сеитба на бобови растения върху кисели почви, заедно с инокулацията на семена, е необходимо и варуване на почвата. Инокулацията без варуване има много малък ефект върху добива и съдържанието на протеин.

Нодулните бактерии са способни при благоприятни условия да натрупват до 200–300 kg/ha азот за един сезон.

Младите нодулни бактерии в чиста култура върху хранителни среди обикновено имат пръчковидна форма (фиг. 2, 3), размерът на пръчките е приблизително 0 5 - 0 9 X 1 2 - 3 0 μm, подвижни, умножават се чрез разделяне

В допълнение към нодулните бактерии, в почвата живеят и други микроорганизми, които могат да усвояват свободния азот от въздуха; те не живеят върху корените на растенията, а в близост до тях. Всички други хранителни вещества, необходими на тези микроби, те усвояват сами, а не за сметка на растителните сокове, както е присъщо на растенията с нодули. Azotobacter е най-важният микроорганизъм, живеещ в почвата, способен да усвоява атмосферния азот. Тези бактерии могат да живеят при благоприятни условия на влажност, добър въздушен поток, подходяща температура и киселинност на почвата. Изискванията на Azotobacter към топлинния режим и влажността на почвата са приблизително същите като тези на културните растения, но той е по-чувствителен към киселинността на почвата от повечето растения.

Палеонтологичните данни показват, че някои растения, принадлежащи към групата Eucaesalpinioideae, са най-древните бобови растения, които имат възли.

При съвременните видове бобови растения са открити възли по корените на много представители на семейство Papilionaceae.

Филогенетично по-примитивните представители на семейства като Caesalpiniaceae, Mimosaceae в повечето случаи не образуват възли.

От 13 000 вида (550 рода) бобови растения, наличието на нодули досега е установено само при приблизително 1300 вида (243 рода). Това включва предимно растителни видове, използвани в селското стопанство (повече от 200).

След образуването на възли, бобовите растения придобиват способността да абсорбират атмосферния азот. Въпреки това, те са в състояние да се хранят със свързани форми на азот - амониеви соли и азотна киселина. Само едно растение, Hedysarum coronarium, усвоява само молекулен азот. Следователно, без нодули в природата, това растение не се среща.

Нодулните бактерии доставят на бобовото растение азот, който се фиксира от въздуха. Растенията от своя страна доставят на бактериите продукти на въглехидратния метаболизъм и минерални соли, от които се нуждаят за растеж и развитие.

През 1866 г. известният ботаник и почвовед М. С. Воронин вижда най-малките „тела“ в възлите по корените на бобовите растения. Воронин изложи смели предположения за това време: той свърза образуването на възли с активността на бактериите и повишеното делене на клетките на кореновата тъкан с реакцията на растението към бактериите, проникнали в корена.

20 години по-късно холандският учен Бейерин изолира бактерии от нодулите на грах, фий, чини, боб, серадела и близалка и изследва техните свойства, проверявайки способността да заразяват растенията и да причиняват образуването на възли. Той нарече тези микроорганизми Bacillus radicicola. Тъй като бактериите, които образуват спори, принадлежат към рода Bacillus, а бактериите с нодули нямат тази способност, А. Пражмовски ги преименува на Bacterium radicicola. Б. Франк предложи по-успешно родово име за нодулни бактерии – Rhizobium (от гръцки rhizo – корен, био – живот; живот върху корените). Това име се е вкоренило и все още се използва в литературата.

За обозначаване на вид нодулни бактерии е обичайно да се добавя термин към родовото име Rhizobium, съответстващ на латинското наименование на растителния вид, от чиито възли са изолирани и върху които могат да образуват възли. Например Rhizobium trifolii - нодулни бактерии от детелина, Rhizobium lupini - нодулни бактерии от лупина и др. В случаите, когато нодулните бактерии са способни да образуват нодули по корените на различни видове бобови растения, т.е. да причинят т.нар. кръстосана инфекция, името на вида е сякаш колективно - отразява именно тази способност за „кръстосано заразяване“. Например Rhizobium leguminosarum - нодулни бактерии от грах (Pisum), леща (Lens), редици (Lathyrus).

Морфология и физиология на нодулните бактерии. Нодулните бактерии се характеризират с невероятно разнообразие от форми - полиморфизъм. Много изследователи обърнаха внимание на това, когато изучаваха нодулни бактерии в чиста култура в лабораторни условия и почва. Нодулните бактерии могат да бъдат пръчковидни и овални. Сред тези бактерии има също филтрируеми форми, L-форми, кокоидни неподвижни и подвижни организми.

Младите нодулни бактерии в чиста култура върху хранителни среди обикновено имат пръчковидна форма (фиг. 143, 2, 3), размерът на пръчките е приблизително 0,5-0,9 X 1,2-3,0 микрона, подвижни, умножават се чрез деление. В пръчковидни клетки на нодулни бактерии от детелина се наблюдава разделяне чрез лигиране. С възрастта пръчковидни клетки могат да преминат към пъпкуване. Според Грам клетките се оцветяват негативно, ултрафината им структура е типична за грам-отрицателните бактерии (фиг. 143, 4).

Със стареенето, нодулните бактерии губят своята подвижност и преминават в състояние на така наречените поясни пръчки. Те получиха това име поради редуването на плътни и рехави участъци от протоплазмата в клетките. Набраздяването на клетките се открива добре, когато се гледа под светлинен микроскоп след третиране на клетките с анилинови багрила. Плътните участъци от протоплазмата (пояс) са оцветени по-лошо от пространствата между тях. В луминесцентен микроскоп лентите са светлозелени, пространствата между тях не светят и изглеждат тъмни (фиг. 143, 1). Коланите могат да бъдат разположени в средата на клетката или в краищата. Зонирането на клетките се вижда и на моделите на електронна дифракция, ако препаратът не се третира с контрастни вещества преди гледане (фиг. 143, 3). Вероятно с възрастта бактериалната клетка е изпълнена с мастни включвания, които не възприемат цвета и в резултат на това причиняват набраздяване на клетката. Етапът на "опасани пръчки" предхожда етапа на образуване на бактероиди - клетки с неправилна форма: удебелени, разклонени, сферични, крушовидни и колбовидни (фиг. 144). Терминът "бактероиди" е въведен в литературата от J. Brunhorst през 1885 г., прилагайки го към образувания с необичайна форма, много по-големи от пръчковидни бактериални клетки, открити в тъканите на възли.

,

Бактероидите съдържат повече волютинови гранули и се характеризират с по-високо съдържание на гликоген и мазнини в сравнение с пръчковидни клетки. Бактероидите, отглеждани в изкуствени хранителни среди и образувани в тъканите на възли, физиологично са от същия тип. Смята се, че бактероидите са форми на бактерии с незавършен процес на делене. При непълно клетъчно делене на нодулни бактерии възникват дихотомично разклонени форми на бактероиди. Броят на бактероидите се увеличава със стареенето на културата; появата им се улеснява от изчерпването на хранителната среда, натрупването на метаболитни продукти и въвеждането на алкалоиди в средата.

В стари (двумесечни) култури на нодулни бактерии, с помощта на електронен микроскоп е възможно да се идентифицират ясно очертани сферични образувания в много клетки (фиг. 145) - артроспори. Броят им в клетките варира от 1 до 5.

Нодулните бактерии от различни видове бобови растения растат с различна скорост върху хранителни среди. Бързорастящите бактерии включват ризобии от грах, детелина, люцерна, фуражни зърна, фий, леща, кичур, сладка детелина, сминдух, боб, нахут и птичи крак; до бавно растящи - нодулни бактерии от лупина, соя, фъстъци, серадела, боб мунг, кавга, еспарзет, дрък. Напълно оформени колонии от бързо растящи култури могат да се получат на 3-ия - 4-ия ден от инкубацията, колонии от бавно растящи култури - на 7-ия - 8-ия.

Бързо растящите нодулни бактерии се характеризират с перитрихозно подреждане на флагели, докато бавно растящите бактерии са монотрихиални (Таблица 42, 1-5).

В допълнение към жгутиците, нишковидни и подобни на мъниста израстъци се образуват в клетките на нодулни бактерии, когато се отглеждат върху течна среда (Таблици 42, 43). Дължината им достига 8-10 микрона. Обикновено са разположени на повърхността на клетката перитрихиално, съдържат от 4 до 10 или повече на клетка.

,

Колониите от бързо растящи нодулни бактерии имат цвят на печено мляко, често полупрозрачни, лигави, с гладки ръбове, умерено изпъкнали и в крайна сметка растат върху повърхността на агаровата среда. Колониите от бавно растящи бактерии са по-изпъкнали, малки, сухи, плътни и като правило не растат на повърхността на средата. Слузта, произведена от нодулни бактерии, е сложно съединение от полизахариден тип, което включва хексози, пентози и уронови киселини.

Нодулните бактерии са микроаерофили (те се развиват с малки количества кислород в околната среда), но предпочитат аеробни условия.

Нодулните бактерии използват въглехидрати и органични киселини като източник на въглерод в хранителни среди и различни минерални и органични азотсъдържащи съединения като източник на азот. Когато се култивират върху среда с високо съдържание на азотсъдържащи вещества, нодулните бактерии могат да загубят способността си да проникват в растението и да образуват възли. Следователно, нодулните бактерии обикновено се отглеждат върху растителни екстракти (бульон от боб, грах) или почвени екстракти. Необходимият за развитието фосфор може да бъде получен от нодулни бактерии от минерални и органични фосфор-съдържащи съединения; минералните съединения могат да служат като източник на калций, калий и други минерални елементи.

За потискане на външната сапрофитна микрофлора при изолиране на нодулни бактерии от възли или директно от почвата се препоръчват хранителни среди с добавка на кристално виолетово, танин или антибиотици.

За развитието на повечето култури от нодулни бактерии е необходима оптимална температура в диапазона от 24-26 °. При 0° и 37°C растежът спира. Обикновено културите от нодулни бактерии се съхраняват в лабораторни условия при ниски температури (2-4 °C).

Много видове нодулни бактерии са способни да синтезират витамини от група В, както и растежни вещества като хетероауксин (-индолоцетна киселина).

Всички нодулни бактерии са приблизително еднакво устойчиви на алкална реакция на средата (рН = 8,0), но неравномерно чувствителни към киселинна.

Специфичност, вирулентност, конкурентоспособност и активност на нодулните бактерии.

концепция специфичностнодулни бактерии - колективни. Характеризира способността на бактериите да образуват възли в растенията. Ако говорим за нодулни бактерии като цяло, то за тях образуването на нодули само в група бобови растения е вече специфично само по себе си - те имат селективност към бобовите растения.

Ако обаче разгледаме отделните култури от нодулни бактерии, се оказва, че сред тях има такива, които са в състояние да заразят само определена, понякога по-голяма, понякога по-малка група бобови растения и в този смисъл спецификата на нодулните бактерии е селективна способност по отношение на растението гостоприемник. Специфичността на нодулните бактерии може да бъде тясна (бактерията с нодули от детелина заразява само група детелини - видова специфичност, а бактериите от нодули от лупина могат дори да се характеризират с сортова специфичност - заразяват само алкалоидни или безалкалоидни разновидности на лупина). С широка специфичност, бактериите от грахови нодули могат да заразят растения от грах, брадичка и боб, а бактериите от нодули от грах и боб могат да заразят граховите растения, т.е. всички те се характеризират със способността да „кръстосано заразяват“. Специфичността на нодулните бактерии е в основата на тяхната класификация.

Специфичността на нодулните бактерии възниква в резултат на дългосрочната им адаптация към едно растение или група от тях и генетичното предаване на това свойство. В това отношение има и различна адаптивност на нодулните бактерии към растенията в групата на кръстосана инфекция. По този начин бактериите от нодули от люцерна могат да образуват възли в сладката детелина. Въпреки това те са по-приспособени към люцерната, а бактериите от сладка детелина са по-приспособени към сладката детелина.

В процеса на заразяване на кореновата система на бобовите растения с нодулни бактерии е от голямо значение вирулентностмикроорганизми. Ако специфичността определя спектъра на действие на бактериите, тогава вирулентността на нодулните бактерии характеризира активността на тяхното действие в рамките на този спектър. Вирулентността се отнася до способността на нодулните бактерии да проникват в кореновата тъкан, да се размножават там и да причиняват образуването на възли.

Важна роля играе не само самата способност за проникване в корените на растението, но и скоростта на това проникване.

За да се определи вирулентността на щам нодулни бактерии, е необходимо да се установи способността му да предизвиква образуването на възли. Критерият за вирулентност на всеки щам може да бъде минималният брой бактерии, който осигурява по-енергична инфекция на корените в сравнение с други щамове, кулминираща с образуването на възли.

В почвата, в присъствието на други щамове, по-вирулентният щам не винаги ще зарази първо растението. В този случай трябва да се вземе предвид конкурентна способност, което често маскира свойството на вирулентност в природни условия.

Необходимо е вирулентните щамове да имат и конкурентоспособност, т.е. да могат успешно да се конкурират не само с представители на местната сапрофитна микрофлора, но и с други щамове на нодулни бактерии. Показател за конкурентоспособността на щама е броят на образуваните от него възли като процент от общия брой възли върху корените на растенията.

Важно свойство на нодулните бактерии е тяхното дейност(ефективност), т.е. способността да се асимилира молекулярен азот в симбиоза с бобови растения и да се задоволят нуждите на растението гостоприемник в него. В зависимост от степента, в която нодулните бактерии допринасят за увеличаване на добива на бобови растения (фиг. 146), те обикновено се разделят на активни (ефективни), неактивни (неефективни) и неактивни (неефективни).

Щам бактерии, неактивни за едно растение гостоприемник в симбиоза с друг вид бобови растения, може да бъде доста ефективен. Следователно, когато се характеризира даден щам по отношение на неговата ефективност, винаги трябва да се посочва по отношение на кой растителен вид гостоприемник се проявява неговият ефект.

Дейността на нодулните бактерии не е тяхно постоянно свойство. Често в лабораторната практика има загуба на активност в културите на нодулни бактерии. В този случай или се губи активността на цялата култура, или се появяват отделни клетки с ниска активност. Намаляването на активността на нодулните бактерии се случва в присъствието на някои антибиотици, аминокиселини. Една от причините за загубата на активност на нодулните бактерии може да бъде влиянието на фага. Чрез пасажиране, т.е. многократно преминаване на бактерии през растението гостоприемник (адаптация към определен растителен вид), е възможно да се получат ефективни щамове от неефективни.

Излагането на y-лъчи прави възможно получаването на щамове с повишена ефективност. Известни са случаи на поява на високоактивни радиомутанти на нодулни бактерии от люцерна от неактивен щам. Използването на йонизиращо лъчение, което има пряк ефект върху промяната в генетичните характеристики на клетката, по всяка вероятност може да бъде обещаваща техника при селекцията на високоактивни щамове на нодулни бактерии.

Инфекция на бобово растение с нодулни бактерии.

За да се осигури нормалният процес на заразяване на кореновата система с нодулни бактерии, е необходимо да има доста голям брой жизнеспособни бактериални клетки в кореновата зона. Мненията на изследователите относно броя на клетките, необходими за осигуряване на процеса на инокулация, са различни. Така според американския учен О. Алън (1966) за инокулацията на дребносеменни растения са необходими 500-1000 клетки, а за инокулацията на едросеменни растения са необходими най-малко 70 000 клетки на 1 семе. Според австралийския изследовател Дж. Винсент (1966), в момента на инокулацията всяко семе трябва да съдържа най-малко няколкостотин жизнеспособни и активни клетки на нодулни бактерии. Има доказателства, че единичните клетки могат да проникнат и в кореновата тъкан.

По време на развитието на кореновата система на бобово растение, размножаването на нодулните бактерии по повърхността на корена се стимулира от коренови секрети. Продуктите на унищожаване на кореновите капачки и космите също играят важна роля за осигуряване на нодулните бактерии с подходящ субстрат.

В ризосферата на бобово растение развитието на нодулни бактерии е рязко стимулирано; при житните растения това явление не се наблюдава.

На повърхността на корена има слой от лигавицата (матрикс), която се образува независимо от наличието на бактерии в ризосферата. Този слой е ясно видим, когато се изследва в светлинно-оптичен микроскоп (фиг. 147). Нодулните бактерии след инокулация обикновено се втурват към този слой и се натрупват в него (фиг. 148) поради стимулиращия ефект на корена, който се проявява дори на разстояние до 30 mm.

,

През този период, предшестващ въвеждането на нодулни бактерии в кореновата тъкан, бактериите в ризосферата са изключително подвижни. В ранните проучвания, при които за изследване е използван светлинен микроскоп, нодулните бактерии, разположени в зоната на ризосферата, са получили името schwermers (гонидии или зооспори) - "роещи се". Използвайки метода на Faereus (1957), е възможно да се наблюдава образуването на изключително бързо движещи се колонии от швермери в областта на върха на корена и кореновите косми. Колониите на Швермер съществуват за много кратко време - по-малко от един ден.

Относно механизма на проникваненодулни бактерии в корена на растението има редица хипотези. Най-интересните от тях са следните. Авторите на една от хипотезите твърдят, че нодулните бактерии проникват в корена чрез увреждане на епидермалната и кортикалната тъкан (особено на местата, където се разклоняват страничните корени). Тази хипотеза е изложена въз основа на изследвания на Bril (1888), който причинява образуването на възли в бобовите растения чрез пробиване на корените с игла, потопена преди това в суспензия от нодули бактерии. Като специален случай, такъв път на реализация е съвсем реален. Например, при фъстъчените възли са разположени предимно в пазвите на кореновите клони, което предполага проникване на нодулни бактерии в корена през пролуки по време на покълването на страничните корени.

Интересна и не безпочвена хипотеза е проникването на нодулни бактерии в кореновата тъкан през кореновите власинки. Преминаването на нодулни бактерии през кореновите косми се признава от повечето изследователи.

Предположението на P. Dart и F. Mercer (1965) е много убедително, че нодулните бактерии проникват в корена под формата на малки (0,1-0,4 µm) кокоидни клетки през интервали (0,3-0,4 µm) от целулозна фибриларна мрежа на първична обвивка на кореновите косми. Електронно-микроскопските снимки (фиг. 149) на повърхността на корена, получени по метода на репликата, и фактът на свиване на клетките на нодулните бактерии в ризосферата на бобовите растения потвърждават това положение.

Възможно е нодулните бактерии да проникнат в корена през епидермалните клетки на младите коренови върхове. Според Prazhmovsky (1889) бактериите могат да проникнат в корена само през младата клетъчна стена (на кореновите косми или епидермалните клетки) и са напълно неспособни да преодолеят химически променения или корков слой на кората. Това може да обясни, че възли обикновено се развиват върху млади участъци на главния корен и изникващите странични корени.

Напоследък хипотезата за ауксина получи голяма популярност. Авторите на тази хипотеза смятат, че нодулните бактерии проникват в корена поради стимулиране на синтеза на β-индолоцетна киселина (хетероауксин) от триптофан, който винаги присъства в секретите на корените на растенията. Фиг. 150.

Източникът на β-индолилоцетна киселина по време на заразяване на растението очевидно не са само растенията, които отделят триптофан през кореновата система, който много видове бактерии, включително коренови възли, могат да превърнат в β-индолилоцетна киселина. Самите нодулни бактерии и вероятно други видове почвени микроорганизми, живеещи в кореновата зона, също могат да участват в синтеза на хетероауксин.

Хипотезата за ауксин обаче не може да бъде приета безусловно. Действието на хетероауксина е неспецифично и причинява изкривяване на кореновите власинки при различни растителни видове, не само при бобови растения. В същото време нодулните бактерии причиняват изкривяване на кореновите косми само при бобови растения, като проявяват доста значителна селективност. Ако разглежданият ефект се определя само от β-индолилоцетна киселина, тогава няма да има такава специфичност. Освен това естеството на промените в кореновите косми под въздействието на нодулни бактерии е малко по-различно, отколкото под влиянието на хетероауксин.

Трябва също да се отбележи, че в някои случаи неизвити коренови косми са изложени на инфекция. Наблюденията показват, че при люцерната и граха 60-70% от кореновите власинки са усукани и усукани, а при детелината - около 50%. При някои видове детелина тази реакция се забелязва при не повече от 1/4 от заразените косми. При реакцията на кривина, очевидно, състоянието на кореновата коса е от голямо значение. Нарастващите коренови косми са най-чувствителни към действието на веществата, произвеждани от бактерии.

Известно е, че нодулните бактерии причиняват омекотяване на стените на кореновите косми. Те обаче не образуват нито целулаза, нито пектинолитични ензими. В тази връзка се предполага, че нодулните бактерии проникват в корена поради секрецията на слуз от полизахаридна природа, която причинява синтеза на ензима полигалактуроназа от растенията. Този ензим, унищожавайки пектиновите вещества, засяга обвивката на кореновите косми, правейки я по-пластична и пропусклива. В малки количества полигалактуроназата винаги присъства в кореновите косми и, очевидно, причинявайки частично разтваряне на съответните компоненти на мембраната, позволява на клетката да се разтяга.

Някои изследователи смятат, че нодулните бактерии проникват в корена благодарение на сателитните бактерии, които произвеждат пектинолитични ензими. Тази хипотеза е изложена въз основа на следните факти. При микроскопия на кореновите косми много изследователи отбелязват наличието на светло петно, близо до което се натрупват нодулни бактерии. Това петно ​​може да е знак за началото на тъканна мацерация (разрушаване) от протопектиназа, подобно на същия признак, наблюдаван при растенията при много бактериални заболявания. Освен това беше установено, че авирулентни култури от нодулни бактерии в присъствието на бактерии, произвеждащи пектинолитични ензими, стават способни да проникнат в корена.

Трябва да се отбележи и друга хипотеза, според която нодулните бактерии навлизат в корена по време на образуването на пръстовидна издатина върху повърхността на кореновата коса. Електронната дифракционна картина на участък от коренов косъм, потвърждаващ тази хипотеза (фиг. 150, 3), показва коренов косъм, огънат под формата на дръжка на чадър, в извивката на която има натрупване на нодулни бактерии. Нодулните бактерии са сякаш привлечени (погълнати) от кореновата коса (подобно на пиноцитоза).

Хипотезата за инвагинация по същество не може да бъде отделена от ауксиновата или ензимната хипотеза, тъй като инвагинацията възниква в резултат на излагане на ауксин или ензимен фактор.

Процесът на въвеждане на нодулни бактерии в кореновата тъкан е еднакъв при всички видове бобови растения и се състои от две фази. В първата фаза настъпва инфекция на кореновите косми. Във втората фаза процесът на образуване на възли протича интензивно. Продължителността на фазите е различна при различните растителни видове: при Trifolium fragiferum първата фаза продължава 6 дни, при Trifolium nigrescens - 3 дни.

В някои случаи е много трудно да се открият границите между фазите. Най-интензивното въвеждане на нодулни бактерии в кореновите косми става в ранните етапи на развитие на растенията. Втората фаза завършва по време на масовото образуване на възли. Често проникването на нодулни бактерии в кореновите косми продължава дори след образуването на нодулите върху корените. Това т. нар. излишък или допълнителна инфекция се получава, защото инфекцията на космите не спира дълго време. В по-късните етапи на инфекция възлите обикновено се поставят по-ниско по протежение на корена.

Видът на развитие, структурата и плътността на кореновите косми не оказват влияние върху скоростта на въвеждане на нодулни бактерии. Местата на образуване на възли не винаги са свързани с местоположението на заразените косми.

След като проникнат в корена (през кореновата коса, епидермалната клетка, местата на увреждане на корена), нодулните бактерии след това се преместват в тъканите на корена на растението. Най-лесно бактериите преминават през междуклетъчните пространства.

В кореновата тъкан може да проникне или една клетка, или група бактериални клетки. Ако е въведена отделна клетка, тя може да продължи да се движи през тъканта като единична клетка. Начинът на заразяване на корените от единични клетки е характерен за растенията от лупина.

Въпреки това, в повечето случаи нахлуващата клетка, активно размножавайки се, образува така наречените инфекциозни нишки (или инфекциозни въжета) и вече под формата на такива нишки се придвижва в растителните тъкани.

Терминът "инфекциозна нишка" възниква въз основа на изследването на инфекциозния процес в светлинен микроскоп. Започвайки с работата на Beijerinck, нишката на инфекцията започва да се разглежда като лигава, подобна на хифи маса, съдържаща пролифериращи бактерии.

По същество инфекциозната нишка е колония от размножени бактерии. Неговото начало е мястото, където е проникнала отделна клетка или група клетки. Възможно е колония от бактерии (и следователно бъдеща нишка на инфекция) да започне да се образува на повърхността на корена преди въвеждането на бактерии в корена.

Броят на заразените коренови косми варира значително при отделните растения. Обикновено инфекциозните нишки се появяват в деформирани, усукани коренови косми. Въпреки това, има индикации, че подобни нишки понякога се срещат в прави косми. По-често в кореновите косми се наблюдава една разклонена нишка, по-рядко две. В някои случаи има няколко нишки в един коренов косъм или в няколко има общи нишки на инфекция, пораждащи един възел (фиг. 151).

Процентът на заразените коренови косми в общия брой деформирани косми е необяснимо нисък. Обикновено варира от 0,6 до 3,2, понякога достига до 8,0. Делът на успешните инфекции е още по-нисък, тъй като сред инфекциозните нишки има много (до 80%) така наречени абортивни нишки, които са престанали да се развиват. Скоростта на напредване на нормално развиващите се инфекциозни нишки в растението е 5-8 микрона на час. При тази скорост пътят през кореновата коса с дължина 100-200 микрона може да премине през инфекциозната нишка в рамките на един ден.

Морфологични и анатомични характеристики на възлите в тяхната онтогенеза.

Според метода на образуване възлите на бобовите растения са разделени на два вида:

Тип 1 - възли се появяват по време на разделянето на перицикличните клетки (коренов слой), обикновено разположени срещу протоксилема (първи във времето за образуване на съдове) - ендогенен тип образуване на възли;

Тип 2 - възлите произхождат от кората на корена в резултат на въвеждането на патогена в паренхимните клетки на кората и ендодермата (вътрешния слой на първичния кортекс) - екзогенен тип образуване на възли.

В природата преобладава последният тип. Тъканите на централния цилиндър на корена участват само в образуването на съдовата система на възли както от ендогенен, така и от екзогенен тип.

Въпреки различните възгледи за естеството на произхода на възли от екзо- и ендотипове, процесът на тяхното развитие е основно един и същ. Въпреки това, нито единият, нито другият вид образуване на възли в никакъв случай не трябва да се идентифицира с процеса на образуване на странични корени, въпреки факта, че има някои прилики в тяхното начало. По този начин образуването на възли и странични корени се случва едновременно и освен това в една и съща коренова зона.

В същото време редица особености в развитието на страничните корени и възли подчертават дълбоките различия във вида на тяхното образуване. Страничните корени възникват в перицикла. Още в първите моменти на развитие те са свързани с централния цилиндър на главния корен, от който се разклоняват централните цилиндри на страничните корени и винаги се издигат срещу лъча на първичната дървесина. Образуването на възел, за разлика от страничния корен, е възможно навсякъде. В самото начало на образуването на възлова тъкан няма съдова връзка с централния цилиндър на корена, тя възниква по-късно. Съдовете обикновено се образуват по периферията на възела. Те са свързани с кореновите съдове през зоната на трахеида и имат собствена ендодерма (фиг. 152).

Разликата в естеството на нодулацията и страничните корени се наблюдава особено ясно при seradella, тъй като кортикалната тъкан на главния корен на това растение - мястото на първите възли - се състои от сравнително малък слой клетки и възлите стават видими много бързо след заразяване на корена с бактерии. Първо образуват сплескани издатини върху корена, което прави възможно разграничаването им от коничните издатини на страничните корени. Нодулите се различават от страничните корени по редица анатомични особености: липса на централен цилиндър, коренови капачки и епидермис и наличието на значителен слой кора, покриващ възела.

Образуването на нодули (фиг. 153, 1, 2) на бобови растения става през периода, когато коренът все още има първична структура. Започва с разделянето на кортикални клетки, разположени на разстояние 2-3 слоя от краищата на инфекциозните нишки. Слоевете на кората, проникнати от инфекциозни нишки, остават непроменени. В същото време при seradella деленето на кортикалните клетки става директно под инфектираната коренова коса, докато при граха клетъчното делене се отбелязва само в предпоследния слой на кората.

Делението с образуването на радиална тъканна структура продължава към клетките на вътрешната сърцевина. Възниква без определена посока, произволно и в резултат на това възниква меристема (система от образователни тъкани) на възела, състояща се от малки гранулирани клетки.

Разделените клетки на кората се променят: ядрата са закръглени и се увеличават по размер, особено нуклеолите. След митоза ядрата се разпръскват и, без да приемат първоначалната си форма, започват да се делят отново.

Появява се вторична меристема. Скоро в ендодермата и перицикъла се появяват признаци на начално делене, което в бившите външни клетки става главно чрез тангенциални прегради. Това деление накрая се простира до общия меристематичен комплекс, чиито малки клетки са удължени, вакуолите изчезват и ядрото запълва по-голямата част от клетката. Образува се така нареченият първичен възел, в плазмата на клетките на който липсват нодулни бактерии, тъй като на този етап те все още са вътре в инфекциозните нишки. Докато се образува първичният възел, инфекциозните нишки се разклоняват многократно и могат да преминават или между клетките - междуклетъчно (фиг. 154), или през клетките - вътреклетъчно - и да въвеждат бактерии (фиг. 155).

,

Междуклетъчните инфекциозни нишки, поради активното възпроизвеждане на нодулни бактерии в тях, често придобиват причудлива форма - образуват се под формата на джобове (дивертикули) или факли (виж фиг. 154).

Процесът на движение на инфекциозните нишки от клетка в клетка не е напълно ясен. Очевидно инфекциозните нишки, както смята канадският микробиолог Д. Джордан (1963), се скитат под формата на голи лигавични нишки в междуклетъчните пространства на растителната тъкан, докато по някакви все още необясними причини не започнат да инвагинират в цитоплазмата на съседни клетки .

В някои случаи инвагинацията на нишката на инфекцията се случва в една, в някои случаи - във всяка съседна клетка. През тези инвагинирани тръбни кухини (дивертикули), съдържанието на конеца, затворено в слуз. Най-активният растеж на инфекциозните нишки обикновено се случва близо до ядрото на растителната клетка. Проникването на нишката се придружава от движение на ядрото, което се придвижва към мястото на инфекцията, увеличава се, променя формата си и дегенерира. Подобна картина се наблюдава при гъбична инфекция, когато ядрото е често

Развитието на симбиотични асоциации между бобови растения и нодулни бактерии е от голям интерес за агрономията. Тези симбиози осигуряват по-голямата част от биологично свързания азот, достъпен за културите.

Нодулните бактерии са доста често срещани грам-отрицателни микроорганизми, обединени в едно семейство с известните фитопатогенни бактерии Agrobacterium. Въпреки че нодулните бактерии се разглеждат в тази статия единствено от гледна точка на тяхната роля в симбиотичните взаимоотношения с растенията, винаги трябва да се помни, че те са много добре адаптирани към дългосрочно оцеляване в почвата дори при отсъствие на специфични растения гостоприемници . По същия начин, домакините на тези бактерии, бобови растения като соя и детелина, могат да растат добре без своите симбионти. Следователно симбиозата на бобови растения и нодулни бактерии е по-скоро факултативна, отколкото задължителна асоциация. Обикновено е полезен и за двата организма, но не е от съществено значение за тяхното развитие. Всеки партньор от тази асоциация може да води собствен живот и е добре подготвен за това. Следователно може да се очаква, че в процеса на заразяване и установяване на симбиоза развитието на нодулните бактерии трябва да се промени бързо, т.е. да настъпи адаптация, която им позволява да преминат от сложно местообитание в почвата към динамична среда на кореновата повърхност, а след това към много специална среда вътре в клетките собственик. Растението гостоприемник също трябва бързо да реагира на присъствието на симбиотични бактерии на повърхността на корена си, а отговорите на гостоприемника трябва да се различават значително от реакциите им към други почвени микроорганизми. В растението гостоприемник трябва да настъпят значителни вътрешни промени, в резултат на което то може да приеме своя бактериален партньор и да премине от консумацията на свързан азот от екзогенни източници към усвояването на симбиотично образувания NH 3 . Ясно е, че процесът на заразяване и развитието на симбиотична връзка се състои от цяла поредица от мутуалистични адаптации. В много отношения този процес наподобява заразяването на податлив гостоприемник от патогенен организъм и в същото време те са доста различни.

Инфекцията на соята с Rhizobium japonicum очевидно започва с реакция на бактерията към наличието на сигнали и хранителни вещества, секретирани от корените на гостоприемника. Клетките на Rhizobium се прикрепят много бързо към повърхността на корена и могат да бъдат открити в рамките на секунди или минути след инокулацията на корена. Прикрепването на бактериите е най-често полярно. Следващият етап, наблюдаван в инфекциозния процес, е усукването на кореновите косми. Усукването и деформацията на последните са специално предизвикани от нодулни бактерии. Усукването започва няколко часа след инокулацията и става забележимо след около 12 ч. Нодулните бактерии проникват в усуканите коренови косми в точката на най-голяма кривина и се въвеждат в тях под формата на тръбна структура, наречена инфекциозна нишка. Тези нишки пренасят ризобиални клетки, обикновено в една верига, до основата на кореновата коса (до базалната клетка). Върхът на нарастващата инфекциозна нишка изглежда следва пътя на ядрото на клетката гостоприемник. Преди инфекциозната нишка да напусне базалната клетка на косъма, близките кортикални клетки се стимулират да се разделят и да се напълнят с цитоплазма. Инфекциозните нишки проникват в клетъчната стена, разположена между кореновата космена клетка и съседните кортикални клетки, и се разклоняват, улавяйки много непрекъснато делящи се кортикални клетки. След това клетките на нодулните бактерии се освобождават от върховете на инфекциозните нишки в цитоплазмата на клетките гостоприемници. Веднъж освободени, бактериите се капсулират от цитоплазмените мембрани на клетките гостоприемници и по този начин никога не влизат в пряк контакт с цитоплазмата на гостоприемника. Клетките на нодулните бактерии и растението гостоприемник се размножават, образувайки структури, наречени възли, които се състоят от приблизително еднакви маси от бактерии и растителни тъкани в тегловно съотношение. Гостоприемникът осигурява на ризобията продуктите на фотосинтезата, а бактериите превръщат атмосферния N 2 в NH 3, снабдявайки растенията с наличния азот.

Това е удивителен процес, забележителен със своята специфика, механизми на действие, развитие и регулаторна сложност. Да го гледаш и да го изучаваш е истинско удоволствие.

Започнахме систематично и многостранно изследване на инфекцията с con Rhizobium japonicum. Мои колеги в тази работа бяха физиолозите Арвинд Бхагват, Маргарет Пиърс и Т. В. Бхуванешвари; цитолозите Джилиан Търджън, Марк Пенс и Хари Калвърт; биохимикът Андрю Морт; и специалистите по мутагенеза Янг Ло и Поко Ямамото. Изследванията на нодулните бактерии започват с изследване на механизмите за разпознаване и специфичността на гостоприемника. Поне за повечето бобови растения, живеещи в умерения пояс, има добре дефинирана специфичност за ризобията. Например Rhizobium meli-loti образува възли само с люцерната и не заразява детелина или други бобови растения. Щамовете R. japonicum образуват нодули само със соя, но не и с люцерна, детелина и др.

Молекулярна основа на специфичността на гостоприемника и нодулните бактерии

Специфичността на гостоприемника и механизмите за разпознаване са обширна област на изследване за растителни патолози в продължение на много години, включително тези, които изучават симбиозите на Rhizobium. През 1975 г. Albersheim и Anderson-Prouty излагат теоретично предположение, че реакцията на разпознаване в системите на растителни патогени включва въглехидрат-свързващи протеини гостоприемници (т.е. лектини), които реагират с въглехидрати на повърхността на стените на микробните клетки. Почти едновременно Болул и Шмид предоставиха експериментални доказателства за тясна връзка между способността на различни възли бактерии да инфектират соевите зърна и способността им да свързват белязан лектин в семената на това растение. Тествахме с най-голямо внимание експериментите на Bolul и Schmidt и потвърдихме корелацията между образуването на възли и свързването на лектин от ризобията. Въпреки това, някои отклонения от този модел са отбелязани в научната литература:

Brethauer и Paxton, Chen и Phillips, Lo и Strijdom не съобщават за корелация между свързването на лектин и образуването на възли в соевите зърна;

Някои щамове на R. japonicum са много активни в образуването на възли, но не свързват соевия лектин;

В редица щамове ризобии в култура, само малък брой клетки (1–5%) свързват соевия лектин.

Въз основа на наблюденията установихме един важен модел, а именно, способността на клетките на Rhizobium japonicum да свързват соевия лектин се променя драстично с възрастта на културата. Това откритие предполага, че появата или изчезването на лектинови рецепторни съединения на повърхността на клетките на Rhizobium е по някакъв начин регулирано. След като проучихме възможността за синтез на лектиновия рецептор в зависимост от веществата, присъстващи в корените на гостоприемника, ние открихме, че всички тествани щамове на R. japonicum свързват соевия лектин, когато се отглеждат в присъствието на корените на гостоприемника, докато в лабораторни среди много от щамовете не са имали клетки, способни да свързват лектин. Влиянието на корените върху образуването на лектинови рецептори дава възможност да се обясни несъответствието в резултатите от експериментите с онези бактериални щамове, които образуват нодули, но не свързват лектин, както и да се разбере липсата на корелация между тези процеси в експериментите на други изследователи. Все още обаче не знаем кое от веществата в корените на растението гостоприемник е отговорно за промените в рецепторния синтез.

Фиг. 1. Влияние на възрастта на културата на щам Rhizobium japonicum 110 ARS върху броя на клетките, способни да свързват соев лектин и върху образуването на нодули върху първичните корени над маркировката на началната позиция на върха на корена (виж текста) по време на инокулацията:

1 - брой клетки/ml; 2 - процент клетки, които свързват лектин; 3 - броят на възлите над маркировката по отношение на растението; 4 - процент растения с възли над маркировката.

Също така си струва да се отбележи, че Dazzo и Hubbell установиха подобна силна корелация между свързването на лектин и образуването на възли в симбиотичната асоциация детелина/Rhizobium trifolii.

Стабилността на корелациите със свързването на лектин в системата soy/R, japonicum ни позволява да разгледаме още два въпроса:

Може ли да се твърди, че правилният лектин, намерен на повърхността на корените на соя в точното време и на правилното място, наистина играе роля в реакцията на разпознаване?

Какво е естеството на рецептора на соевия лектин върху клетъчната повърхност на Rhizobium japonicum?

В момента няма категоричен отговор на първия въпрос. Най-доброто доказателство в негова полза могат да бъдат данните на Stacey et al., които показват, че белязаните антитела, специфични за лектин от соеви семена, са свързани с корените на соя, за разлика от белязаните неспецифични серумни антитела. Ниската плътност на свързване на белязаните антитела може да обясни трудното откриване на лектин в корените чрез други, по-директни биохимични методи.

По втория въпрос бяха получени по-пълни и точни данни. Според убедителни цитологични и биохимични експерименти, соевият лектин се свързва с материала на капсулата, заобикалящ клетките на Rhizobium japonicum. Белязаният с феритин соев лектин се свързва с бактериалния капсулен материал, но не и с външната клетъчна мембрана. Тази връзка е биохимично специфична, както е показано от метода на инхибиране на захарния хаптен, и е свободна от влиянието на артефакти, произтичащи от фиксирането, както е определено чрез криохирургия.

Изолирахме капсулния материал от два различни щама на R. japonicum и открихме, че той се състои от полизахарид, чиято структура е показана на Фигура 2. Може би най-важната характеристика на капсулния полизахарид (CPS) е наличието на странична верига на галактоза в всяка повтаряща се полимерна единица. Свързването на соевия лектин с бактериалната клетъчна повърхност е особено силно инхибирано от добавянето на галактоза или N-ацетилгалактозамин, което показва, че галактозоподобните структури съставляват важна част от лектин-специфичния свързващ материал. Галактозиловите остатъци на CPS понякога съдържат метилова група на позиция 4. Според Hammarström et al., лектинният сън не се свързва с 4-O-метилгалактоза. Ето защо от особен интерес беше откриването на промени в състава на захарите, включени в CPS с възрастта на бактериалните култури. В старите култури галактозиловите остатъци в CPS са по-често 4-О-метилирани.

Ориз. Фиг. 2. Структура на повтарящата се пентазахаридна единица, образуваща капсулен полизахарид/екзополизахарид (CPS/EPS) в щамове R. japonicum 110/138:

Gl - глюкоза; Ма - маноза; HUK - галактуронова киселина; Ga - галактоза; Ac - ацетат; Аз - метнл.

Превръщането на неметилирана галактоза в метилирана се случва особено бързо през периода, когато бактериалните култури се движат от експоненциална към стационарна фаза на растеж. В същото време се наблюдава рязко намаляване на броя на капсулираните клетки и бактериите, способни да свържат лектинния сън. Промените в състава на CPS и капсулирането обясняват внезапната загуба на лектин-свързващ капацитет на тези щамове. Както ще бъде показано по-късно, когато достигнат стационарната фаза на растеж, тези щамове също внезапно губят своята инфекциозност. Все още не е установено дали има някаква причинно-следствена връзка между промените в химията на CPS, свързването на лектин и инфекциозността на Rhizobium.

Трябва да се има предвид, че щамовете R. japonicum синтезират както капсулен полизахарид (CPS), който се свързва с гостоприемника, така и екзополизахарид (EPS), който не се свързва с гостоприемника. Според Dudman, някои щамове на R. japonicum образуват EPS, чиято структура е показана на Фигура 3. Този EPS, изолиран от филтрати на културата, не съдържа галактозоподобни остатъци, способни да свързват соевия лектин. Ако последното действа като видово-специфична детерминанта в реакциите на разпознаване за всички бактерии, които образуват възли върху соевите зърна, тогава тези щамове на R. japonicum трябва от своя страна също да образуват, поне в малки количества, някакъв вид CPS или EPS с лектин свързващо място от типа галактоза. Според някои предварителни данни, два щама нодулни бактерии, които образуват EPS от рамнозен тип, също са способни да синтезират малки количества CPS/EPS, съдържащи галактоза (Mort, непубликувани данни).

Способността на клетките на R. japonicum да свързват лектин в съня стриктно зависи от наличието на капсулен материал върху бактериите. Образуването на възли обаче не зависи от това. Мутантите на R. japonicum, които не образуват забележими капсули в нито една фаза на растеж, както върху лабораторни хранителни среди, така и при култивиране с корени гостоприемници, въпреки това доста лесно образуват възли върху корените на съня. Важен определящ фактор за способността за нодулация е способността да се синтезират адекватни количества от съдържащия галактоза полизахарид. Съществува линейна зависимост между количеството EPS, синтезирано от различни мутанти на ризобии, и тяхната относителна способност да образуват възли. С появата на определено количество галактоза-съдържащ полизахарид вече няма значение дали е свързан с бактериални клетки или е в свободно състояние.

Ориз. Фиг. 3. Структура на повтарящия се мономер в тетразахарида, който е част от EPS на Rhizobium japonicum щам 61A76; обозначенията са същите като на фигура 2 (Rha - рафиноза).

Фиг. 1. Връзка между синтеза на EPS и образуването на нодули върху корените на соя от различни мутанти на Rhizobium japonicum, които не произвеждат нормални капсули

Идеята, че лектините на гостоприемника и полизахаридите на клетъчната повърхност на Rhizobium са единствените детерминанти на специфичността и разпознаването при взаимодействията на симбионти, може да се счита за прекалено опростена. Ако Dazzo and Stacey et al. считат, че лектините гостоприемници са отговорни за специфичното прикрепване на хомоложни нодулни бактерии към повърхността на гостоприемника, други изследователи подчертават индуцирането на специфични отговори на гостоприемника чрез образуването на лектин-полизахаридни връзки. И все пак изглежда по-вероятно тези взаимодействия да са само част от сложна последователност от обмен на сигнал-отговор между двата симбионта. Според тази гледна точка всеки етап от такава последователна верига определя по свой начин цялостната биологична специфика на симбиозата. Нито една стъпка в процеса на разпознаване не може да бъде изключена само защото не е първата или най-селективната и в същото време не може да се приеме, че първата или най-селективната стъпка определя напълно спецификата на симбиотичната връзка.

Ранни процеси при инфекции, причинени от RHIZOBIUM

Изненадващо малко се знае за започването или ранното развитие на инфекции, причинени от нодулни бактерии в техните симбионти, въпреки че някои скорошни изследвания предоставят ценна информация по тези въпроси. Както беше показано по-рано, първата външна проява на инфекциозния процес е прикрепването на бактерии към повърхността на корените на гостоприемника. Клетките на Rhizobium са склонни да се прикрепят полярно. Според Dazzo, такова прикрепване се определя от лектина на гостоприемника и е специфично за системата детелина/R, trifolii. Стейси и др. съобщават подобни данни за R. japonicum върху корените на соя. Въпреки това, ние открихме, че както R. trifolii, така и R. japonicum могат да се прикрепят полярно към корените на соя при доста сравними числа и плътности (Tergen и Bauer, непубликувани). Естеството на закрепване и на двата вида практически не се различава в условията на нашите експерименти. Независимо дали привързването е специфично или неспецифично, а понякога и междинно, трябва да се признае, че досега нищо не се знае нито за клетъчните и молекулярните компоненти, които причиняват привързаността, нито за механизмите на действие на тези компоненти.

Втората проява на инфекциозния процес е индуцирането на усукване на кореновите косми. Функцията на това явление изглежда е прищипването на клетките на Rhizobium в пространството между двете повърхности на клетъчните стени на извитата коренова коса. Досега никой не е успял да идентифицира вещества, които предизвикват усукване или разклоняване на кореновите косми, а механизмите, по които възниква усукването, не са проучени.

Третата проява на инфекциозния процес е образуването на инфекциозна нишка. Последните изследвания на Калахам предоставиха много важна информация за този процес. Той предложи три възможни модела за навлизане на Rhizobium в клетката гостоприемник:

Локална инвагинация на клетъчната стена на кореновата коса;

Локално разрушаване на клетъчната стена на косъма с помощта на индуцирани ензими на самия гостоприемник и синтеза на нишката на инфекцията;

Локално разрушаване на клетъчната стена на кореновата коса от ензими Rhizobium и синтез на инфекциозна нишка.

Резултатите от проучванията на Калахам убедително показват, че процесът на заразяване на детелината с бактерията R. trifolii включва локално разрушаване на клетъчните стени на кореновите косми в близост до уловените бактерии, свързано с локалното отлагане на нов слой неидентифициран материал, от който образува се инфекциозна нишка. Този налеп е много подобен на образуването на калъф (обвивка) около инфектиращите хифи на патогенни гъби. Цитологичните изследвания на Калахам позволиха да се изключи хипотезата за инвагинация на клетъчната стена на кореновата коса, но не разрешиха въпроса чии ензими причиняват локално разрушаване на клетъчните стени - ензими на гостоприемника или бактерии? Някои съобщения поддържат и двете възможности, но не дават окончателен отговор.

Много въпроси относно по-нататъшните етапи на инфекциозния процес също все още не са решени. Например, как една инфекциозна нишка може да влезе в клетката гостоприемник срещу нейното тургорно налягане? Защо (и как) върхът на нарастващата инфекциозна нишка следва движението на ядрото в кореновата космена клетка? Как инфекциозната нишка прониква в съседни кортикални клетки? Как се стимулира деленето на кортикалните клетки по време на развитието на инфекциозен процес, причинен от проникването на нишката? Как бактериите с нодули могат да избегнат или потиснат нормалните защитни сили на растенията гостоприемници?

За съжаление, сериозните методологични трудности пречат на подробното изследване на по-ранните етапи на инфекциозния процес. Трудности възникват поради факта, че около 100 хиляди бактериални клетки и около 10 хиляди коренови косми обикновено участват в процеса на инокулация, но инфекциозният процес се инициира в не повече от 100 случая и само около 10 случая на инфекция завършват с образуване на възли. Поради това е трудно да се разгледат механизмите или неизвестните стъпки на инфекциозния процес при общо 10 успешни или 100 инфекции на кореновата коса срещу 10 000 или повече неуспешни или неподатливи взаимодействия гостоприемник-Rhizobium.

Ориз. 4. Диаграма, показваща фазите на инфекциозния процес, причинен от нодулни бактерии. Нодулни бактерии, затворени в пространството между две повърхности на извитата коренова коса, разрушават клетъчната стена на гостоприемника (а), предизвикват синтеза на нов слой материал от цитоплазмата на клетъчната стена на гостоприемника (б) и проникват през частично разрушения корен стената на космените клетки в инфекциозната нишка, образувана от новоотложен слой (c).

Локализация на заразени клетки върху корените на растението гостоприемник

За да улесним методологията за изследване на биохимичните механизми на процесите на разпознаване и инфекция, наскоро решихме да определим кои клетки от корена на гостоприемника са податливи на инфекция. Разсадът на растенията се отглежда в найлонови торбички, което дава възможност да се наблюдават визуално развиващите се корени. Позицията на кореновите върхове (КК) и зоната на образуване на коренови косми бяха отбелязани върху пластмасата по време на въвеждането на инокулума. Седмица след инокулацията се определя позицията на всеки възел, като се вземат предвид направените белези. Като се вземе предвид движението на епидермалните клетки по време на растежа на корена, е възможно да се изчисли позицията и фазата на развитие на онези коренови клетки, които са били податливи на инфекция по време на инокулация с нодулни бактерии. Графиките (фиг. 5.5) ясно показват, че нодулите най-често са се образували в онези части на корените, които са били непосредствено под зоната на кореновите власинки и над зоната на бързо разширяване. В зоната на развиващи се коренови косми се образуват относително малко възли, а в кореновите участъци, покрити със зрели косми по време на инокулацията, изобщо не е имало нодули. По този начин способността за образуване на възли е ограничена от определени фази на развитие на корените и кратката продължителност на съществуването на целеви клетки, чувствителни към бактерии. Експериментите с по-късна инокулация на сом показаха, че цялата коренова област над върха забележимо губи чувствителност след 4-6 ч. При другите видове бобови растения способността за образуване на възли също е краткотрайна и ограничена до определени фази на развитие.

Тези данни представляват несъмнен теоретичен и практически интерес. Например, нанолитрови капчици от инокулационна суспензия, съдържаща само няколко клетки на нодулни бактерии, могат да бъдат приложени директно към мястото на най-голяма чувствителност на корена и развитието на Rhizobium ще се случи точно в точката на инокулация. Този метод ни позволи да използваме електронния микроскоп за изследване на най-ранните процеси, които се случват дори преди образуването на инфекциозни нишки, усукването на кореновата коса или всякакви други индикатори за началото на инфекцията, видими под светлинен микроскоп. Провеждането на такива изследвания е възможно само с достатъчна увереност, че кореновите косми, взети за приготвянето на ултратънки срезове, са подходящи за тази цел и ще бъдат заразени с нодулни бактерии.

Ориз. 5. Честота на нодулация в различни зони на корените на соя, инокулирани със щам 110 R. japonicum. Растенията се отглеждат в найлонови торбички, на повърхността на които са направени маркировки, показващи позицията на кореновата шапка (RT) и мястото на най-малко развитие на кореновите косми (SERH). Корените на приблизително 120 растения бяха изследвани една седмица след инокулацията, като се определи относителното (%) разстояние от всеки възел, образуван върху първичния корен до RT. За по-лесно определяне на относителното положение на неинфектирани кориум клетки по време на инокулацията, се изчислява движението на епидермалните клетки спрямо RT.

Вещества, които влияят върху интензивността на първоначалните инфекциозни процеси

Също толкова интересен аспект от изучаването на скоростта на развитие на чувствителността на бобовите растения към нодулни бактерии е, че сега е възможно да се изследват факторите, които влияят върху скоростта на успешното започване на инфекцията. Броят на възлите, развиващи се над върха на корена (RT) над маркировката, направена върху пластмасата, е отличен количествен параметър за развитието на инфекция. Например, Bhagwat (лична комуникация) наскоро установи, че нодулацията от някои ризобии върху корените на кавов грах се случва непосредствено под етикета, ако бактериите са били култивирани в средата заедно с корените на гостоприемника преди инокулацията. Тези резултати предполагат, че Rhizobium може да се адаптира или да реагира по някакъв начин на веществата, освободени от корена на гостоприемника, преди да придобият способността да заразяват.

При соята може да се наблюдава обратното. Образуването на нодули върху корените на соя над RT марката е малко зависимо от предварителното култивиране на R. japonicum в кореновите ексудати на гостоприемника. Нодулацията обаче се появява с максимална честота под зоната на развитие на кореновите косми, въпреки че дори цитологичните изследвания показват, че инфекцията, водеща до образуване на възли, протича чрез къси, едва започващи да се развиват коренови косми. Разликите между локализацията на очакваната и действителната зона на максимално образуване на възли ни доведоха до заключението, че има известен период на закъснение между времето на първото взаимодействие на кореновите клетки с бактерии и момента на началото на успешен инфекциозен процес. в тях. Очевидно този период на забавяне може да бъде съкратен чрез предварително третиране на корените с клетъчния полизахарид на нодулните бактерии. N-ацетилгалактоза, възможен полизахарид хаптен на лектина на съня, също е ефективна в това отношение. Такива експерименти са трудни за точно възпроизвеждане, но ние намерихме начини да контролираме повечето от променящите се променливи.

Относително разстояние между нодулите и маркировката на върха на корена (RT)

Фиг.6. Влияние на ексудати от кави върху развитието на нодулни бактерии:

1 бактерии върху коренови ексудати; 2 - бактерии върху синтетична хранителна среда.

Ориз. Фиг. 7. Влияние на безклетъчния филтрат на Rhizobium tri-folii върху образуването на нодули в зоната на зрели коренови власинки при детелина. Корените на детелина бяха предварително обработени със 100 μl вода (4) или филтрат на културата за 6, 14 и 24 часа (съответно 1, 2, 3 на графиката) преди въвеждането на инокулума. Броят на възлите. образувани в зоната на корените със зрели коренови косми по време на инокулацията се определят ежедневно в продължение на една седмица.

Подобно явление е отбелязано при корените на детелина. Ако културата на R. trifolii се измие, ресуспендира в дестилирана вода в продължение на един час и след това се филтрира, безклетъчният филтрат значително намалява времето, необходимо за образуване на нодулация в зоната на зрели коренови косми, когато корените се третират с този филтрат преди инокулацията . Интересно е да се отбележи, че същото третиране на корените на детелина не е повлияло забележимо върху времето на образуване на възли в зоната без коренови косми.

Филтратът действа на нодулация само в зоната на зрели коренови власинки, като очевидно влияе на втория тип инфекция, характерна за детелината, но не се наблюдава при соя, крава или люцерна.

Все още не са идентифицирани активни съединения, присъстващи във филтратите на суспензия на R. trifolii или в ексудатите от корени на крава. Независимо от това, откриването на тяхното действие потвърждава гледната точка, че взаимното разпознаване на нодулните бактерии и техните гостоприемници е комплекс от реакции, протичащи между симбионти от типа сигнал-отговор.

Инфекциозна способност на клетките RHIZOBIUM

Само определени клетки от корените на бобовите растения са податливи на инфекция с ризобия, като чувствителността зависи от времето и фазата на развитие на растението. Какво може да се каже за нодулните бактерии? Зависи ли инфекциозността на Rhizobium от времето, фазата на развитие или околната среда? Влиянието на ексудатите от корени на кави върху нодулацията от ризобии предполага, че поне някои бактериални видове трябва да претърпят определени промени, преди да могат да причинят инфекция. Разбира се, дори в една и съща култура, клетките на Rhizobium могат да се различават една от друга по много начини. Например, те могат да имат различни способности за капсулиране, подвижност, фази на клетъчния цикъл и брой полярни тела. Възможно е инфекциозността да зависи от една или повече от тези специфични характеристики. От горните данни следва, че за разлика от синтеза на EPS, самото капсулиране изглежда не е свързано с инфекциозност. Според последните проучвания инфекциозната способност на нодулните бактерии не зависи от тяхната подвижност.

Работата, извършена в нашата лаборатория, позволи да се установи, че инфекциозността на R. japonicum до голяма степен зависи от възрастта на културата. Културите на R. japonicum щамове 110 и 138, достигайки стационарната фаза на растеж, бързо губят способността си да причиняват нодулация над RT марката. Очевидно в тази фаза бактериите са по-малко готови или способни да причинят инфекциозен процес по време на инокулацията, отколкото клетките в експоненциалната фаза. Основата на тази промяна към края на експоненциалната фаза не е известна. Изследването на ефекта от дозата на инокулума върху процеса на нодулация показа, че култури от щам 110 R. japonicum, които са в ранна или късна фаза на стационарен растеж, могат да индуцират нодулация толкова бързо и интензивно, колкото културите във фаза на експоненциален растеж , обаче, за инокулация на растенията е необходимо повече инокулация от стари култури.

Следователно разликите в инфекциозността между културите на бактерии в експоненциалната или стационарната фаза на растеж са по-скоро количествени, отколкото качествени. Културите в стационарна фаза изглежда съдържат пропорционално по-малко клетки, способни бързо да индуцират инфекция.

Друг аспект от формирането на симбиотични асоциации заслужава внимание. Графиките на честотата на нодулация показват отслабване на интензивността на този процес в долните части на корените, които към момента на инокулацията са с 5-10 часа по-млади от зоните с максимална активност на образуване на нодули. Очевидно соевите растения имат бързодействащ регулаторен механизъм, който служи за предотвратяване на развитието на прекомерен брой възли по корените. Второто възможно обяснение е, че намаляването на броя на нодулите в долните части на корените може да бъде свързано с намаляване на броя на бактериите в тези части. Въпреки това, ако същите корени бяха повторно инокулирани 10-12 часа след първото приложение на бактериите, не настъпиха промени в образуването на възли, т.е. нямаше нужда от увеличаване на броя на бактериите. В същото време, ако първичният инокулум се прилага само в горната част на корена без коренови косми и в зоната на младите, развиващи се косми, където удължаването на корена е напълно или предимно завършено, то вторичната инокулация предизвиква образуването на нови възли. Този експеримент показва, че бързодействащият регулаторен механизъм в съня на растенията включва някакъв вид взаимодействие между Rhizobium и онези клетки гостоприемници, които са локализирани в зоната на бързо удължаване на корена близо до върха му.

Наличието на бързодействащ регулаторен механизъм в растенията от соя и евентуално кава и люцерна създава допълнителен слой на сложност и организация в динамичното влияние на фазите на развитие и околната среда върху ранното развитие и успеха на инфекциите с ризобии.

Използвана литература: Инфекциозни болести по растенията: физиологични и биохимични основи / Пер. от английски. Л. Л. Великанова, Л. М. Левкина,
В. П. Прохоров, И. И. Сидорова; Изд. и с предговор.
Ю. Т. Дякова. - М.: ВО Агропромиздат, 1985. - 367 с.

Изтеглете резюмето: Нямате достъп до изтегляне на файлове от нашия сървър.

В големи количества ($72\%$), но е неутрален (абсолютно недостъпен за усвояване на растенията).

$10\%$ от растенията от семейство Бобови влизат в симбиоза с бактерии (бактерии са открити и по корените на семейство елша от семейство Брезови).

Нодулните бактерии принадлежат към рода Rhizodium. Основното им свойство е способността да фиксират молекулярен азот от атмосферния въздух и да синтезират органични азотсъдържащи съединения. Тези бактерии, влизайки в симбиоза с бобови растения, могат да образуват възли по корените си. Те превръщат газообразния азот в съединения, лесно достъпни за усвояване от растенията, а цъфтящите растения от своя страна осигуряват хранителни вещества за бактериите. Също така, този вид бактерии играят важна роля в процеса на обогатяване на почвата с азот.

Размерът на нодулните бактерии е $0,3 - 3$ микрона. Те имат закръглена форма, слузеста консистенция, прозрачни. За разлика от други бактерии, те не образуват спори, способни са да се движат и се нуждаят от кислород, за да функционират нормално.

Прониквайки в кореновата коса на растението, бактериите стимулират интензивното делене на кореновите клетки, в резултат на което се образува възел. Самите бактерии се развиват в тези възли и участват в процеса на усвояване на азота. Там те се трансформират, придобивайки разклонена форма - бактероид, който абсорбира молекулярен азот, нитрати, аминокиселини и амониеви соли. Моно- и дизахаридите, органичните киселини и алкохолите служат като източник на въглерод за нодулните бактерии.

Растенията също така доставят на бактериите жизненоважни органични хранителни вещества. Тази форма на симбиоза има положителен ефект и върху двата организма - симбионти:

• бактериите получават възможност да преминат нормално през своя цикъл на развитие;
• растението се развива нормално, като получава в достатъчни количества най-необходимото минерално хранително вещество - азот.

Забележка 1

Такъв източник на хранене на растенията се нарича биологичен, а бобовите култури се наричат ​​култура, която обогатява почвата (според К. А. Тимирязев).

За разлика от повечето растения, бобовите растения не само не обедняват почвата, но и я обогатяват с азотни съединения. Обогатяването настъпва при отглеждането на бобови растения (лупина, грах, соя, детелина, люцерна, фий, сладка детелина) и по-нататъшно разлагане на техните корени и листа.

След като корените на бобовите растения умрат, нодулните бактерии не умират, а водят сапрофитен начин на живот.

Нодулните бактерии са способни да абсорбират до $300$ кг азот от атмосферния въздух на $1$ хектар бобови култури, докато повече от $50$ кг азотсъдържащи съединения все още остават в почвата.

Забележка 2

Различните форми на бактериите имат специфична предразположеност към развитието на определени представители на бобовите растения върху корените: Rhizodium Leguminosarum - в граха, фуражния фасул, фия; Rh. Мелилоти - в сладка детелина, люцерна; Rh. Japonicum - в соята; Rh. Trifolium - в детелина.

Значение и перспективи на симбиозата на бактериите и бобовите растения

Този вид симбиоза е много важен в природата и особено по време на отглеждането на растенията, тъй като им осигурява повишена хранителна стойност и продуктивност и в същото време обновяване на почвата и повишаване на нейното плодородие.

Бобовите растения са в основата на съвременното алтернативно земеделие – без използване на торове или с внасянето им в малки дози.

К.А. Тимирязев отбеляза, че бобовите растения са проникнали навсякъде, докъдето достигат здравите земеделски концепции. Но едва ли има много открития в историята, които биха били толкова полезни за човечеството като използването на детелина и бобови растения като цяло в сеитбообращението, за да може да се повиши толкова драстично земеделската производителност.

Бобовите растения сега са широко култивирани по целия свят. Тяхното значение е голямо и ще остане такова и дори ще нараства, тъй като те са източник на екологичен и икономически (практически свободен) азот.

През $XXI$ век, при наличието на високоразвити технологии за производство на минерални торове (най-важните от тях са азотните), до две трети от азота, използван в световното земеделие, идва от биологични източници, главно от бобови растения и техните симбионти - нодулни азотфиксиращи бактерии. Именно в нодулите протича най-важната биохимична реакция за симбиоза: превръщането на молекулния азот във въздуха в нитрати, а след това в амоний.

Използвайки резултатите от съвременните изследвания на връзката на симбионтните бактерии с растенията, микробиолозите предложиха важна задача за бъдещето - да се определят начини за създаване на общности за подобряване на минералното хранене на растенията с биологичен азот. Тази симбиоза е система с различни взаимодействия, повечето от които са свързани с повишаване на генетичната пластичност на организмите, което дори може да доведе до появата на принципно нови форми на живот. Симбиозата предоставя такава възможност за природата и това е съществена част от новата модерна доктрина за симбиозата.

Забележка 3

За да се увеличи броят на нодулните бактерии и съответно добивът от бобови растения, при сеитба в почвата се добавя специален бактериален агент, нитрагин (семената са изкуствено заразени с нодулни бактерии.