Симбиозата с бобови растения се образува от нодулни бактерии. Нодулни бактерии

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.

Това явление се наблюдава особено често при използване на нови видове бобови растения, които или са заразени с неефективни видове кръстосани бактерии, или се развиват без нодули.

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 изискванията на културните растения, но той е по-чувствителен към киселинността на почвата от повечето растения.

Нодулните бактерии са специфични – отделни видове или раси от тях са способни да образуват възли върху корените само на определени бобови растения. Така че някои от тях се развиват само върху корените на детелина, но не могат да заразят корените на граха, люцерната, лупина и други бобови растения. Групи от бактерии, които образуват възли по корените на лупина и серадела, не заразяват корените на детелина и грах и др. Понякога спецификата на нодулните бактерии е толкова изразена, че различните разновидности на един G? и една и съща култура (или дори сортове растения) имат различно отношение към един или друг щам бактерии. Например, корените на жълтата фуражна лупина не винаги са добре заразени с нодулни бактерии от корените на едногодишни горчиви лупини. Групи нодулни бактерии според тяхната специфичност са посочени на страница 382.[ ...]

Нодулните бактерии 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. Според К. Филърс, когато соята се отглежда на кисела почва без инокулация и без вар, съдържанието на протеин в семената е 32,8% и се увеличава с 11,2%.[ ...]

Нодулни бактерии от различни бобови растения умират в кисели почви.[ ...]

Нодулните бактерии се нуждаят от достатъчно количество въглехидрати, фосфор и калций за тях. През последните години е установено, че редица микроелементи (особено молибден) играят важна роля в жизнената активност на нодулните бактерии. Варуването и използването на молибден за бобови растения върху кисели почви регулират реакцията на почвата; необходимо е достатъчно снабдяване с бобови растения с фосфор на всички почви.[ ...]

Прокариотите (бактерии, архебактерии, цианобактерии) са едноклетъчни организми, които нямат ядро. Благодарение на толкова разнообразен метаболизъм бактериите могат да съществуват в различни условия на околната среда: във вода, въздух, почва и живи организми. Голяма е ролята на бактериите в образуването на нефт, въглища, торф, природен газ, в почвообразуването, в кръговрата на азот, фосфор, сяра и други елементи в природата. Сапротрофните бактерии участват в разлагането на органичните остатъци от растения и животни и в минерализацията им до CO2, H20, H2S, ICHH3 и други неорганични вещества. Заедно с гъбичките те са разложители. Нодулните бактерии (азот-фиксиращи) образуват симбиоза с бобови растения и участват във фиксирането на атмосферния азот в минерални съединения, достъпни за растенията. Самите растения нямат тази способност.[...]

При липса на нодулни бактерии по корените на бобовите растения, те стават същите консуматори на азот от почвата като другите растения.[ ...]

Важно свойство на нодулните бактерии е тяхната активност (ефективност), т.е. способността да усвояват молекулния азот в симбиоза с бобови растения и да задоволяват 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).[ ...]

Сред азотфиксиращите бактерии се разграничават свободно живеещите в почвата и нодулните бактерии, живеещи върху корените на бобовите растения (фиг. 9, з). Най-важните представители на свободно живеещите азотфиксиращи бактерии са Azotobacter и Clostridium, които фиксират няколко десетки килограма азот на 1 ха почва годишно. Много по-ефективна е дейността на нодулните бактерии, които инфектират клетките на корените на бобовите растения. В резултат на това под бобовите растения се натрупва микробиологично натрупване на азот, достъпен за растенията. Под площ от 1 ха, засята с детелина, в резултат на действието на тези бактерии може да се натрупа 100 пъти повече азот от свободно живеещите фиксатори на този елемент.[ ...]

Тъй като размножаването на нодулните бактерии не става при липса на влага, в случай на засъхнал пролет, инокулираните (изкуствено заразени) семена трябва да се внесат по-дълбоко в почвата. Например в Австралия семената, покрити с нодулни бактерии, се заравят дълбоко в почвата. Интересно е, че нодулните бактерии в почви от сух климат са по-устойчиви на суша, отколкото бактериите в почви с влажен климат. Това показва тяхната екологична адаптивност.[...]

В допълнение към специфичността, расите на нодулните бактерии се различават по вирулентност и активност. Вирулентност - способността им да проникват през кореновите власинки в корена на бобово растение и да образуват възли. Активността на нодулните бактерии се нарича тяхната способност да усвояват атмосферния азот. Само активните щамове на тези бактерии доставят на бобовите растения азот. Когато корените са заразени с вирулентни, но неактивни нодулни бактерии, се образуват възли, но не настъпва азотна фиксация. Нодулните бактерии, използвани за получаването на нитрагин, трябва да имат висока вирулентност и висока активност. Ако вирулентността на нитрагиновите нодулни бактерии е по-висока от вирулентността на по-малко активните бактерии, които вече са в почвата, тогава това позволява на нитрагиновите нодулни бактерии да проникнат в корена по-бързо и в големи количества.[ ...]

От всички тези примери най-внимателно е проучена симбиозата на нодулни бактерии с бобови растения, тъй като тези растения са от голямо значение за хората.[ ...]

Реакцията на почвата оказва голямо влияние върху жизнената активност на нодулните бактерии и образуването на възли. За различните видове и дори щамове нодулни бактерии стойността на pH на местообитанието е малко по-различна. Например, нодулните бактерии от детелина са по-устойчиви на ниски стойности на рН от нодулите от люцерна. Очевидно тук се отразява и адаптирането на микроорганизмите към околната среда. Детелината расте в по-кисели почви от люцерната. Реакцията на почвата като екологичен фактор влияе върху активността и вирулентността на нодулните бактерии. Най-активните щамове са по-лесни за изолиране от почви с неутрални стойности на рН. В кисели почви по-често се срещат неактивни и слабо вирулентни щамове. Киселинната среда (рН 4,0-4,5) има пряк ефект върху растенията, по-специално нарушавайки синтетичните процеси на растителния метаболизъм и нормалното развитие на кореновите косми.[ ...]

Съществуват голям брой видове и раси нодулни бактерии, всяка от които се е приспособила към инфекцията на един или повече видове бобови растения. Кореновите системи на бобовите растения имат специфични коренови секрети. Поради това около кореновите косми се натрупват нодулни бактерии, които се усукват по време на атома. Чрез кореновата коса бактериите под формата на непрекъсната нишка, състояща се от безброй бактерии, свързани със слуз, проникват в кореновия паренхим. Vovmozhpo, бактериите отделят хормона ауксин в ато е причина за растеж на тъканите, образуват се отоци - възли. Клетките на възли са пълни с бързо възпроизвеждащи се бактерии, но остават живи и запазват големи ядра. Нодулните бактерии заразяват само полиплоидни коренови клетки.[ ...]

Люцерната като бобово растение е способна да натрупва голямо количество азот в почвата с помощта на нодулни бактерии по корените, като не отстъпва в това отношение на детелината. Кореновата му система се развива по-добре през 1-вата година на използване, а до 3-тата година натрупва азот в почвата 120 ... 200 kg / ha. Повишавайки плодородието на почвата, подобрявайки нейната структура, люцерната е добър предшественик в сеитбообращението.[ ...]

При култивиране на лупина се използва нитрагин за повишаване активността на лупиновите възли бактерии, полезни са и борните и молибденовите микроторове (семената се третират с разтвор на амониев молибдат едновременно с тяхното нитрагинизиране).[ ...]

Анаеробното разлагане на целулозата се извършва само от бактерии (например бацилът на Омелянски), а аеробното - от много видове бактерии, гъбички, актиномицети.[...]

Това показва, че фиксираният белязан азот навлиза в бактериалните тела от тъканите на висшето растение, което е източник на азотно хранене за бактериите. По този начин фиксацията на атмосферния азот се локализира не в тялото на нодулните бактерии, а в нодулната тъкан на висшето растение. Важна роля на нодулните бактерии е, че те предизвикват образуването на тази специфична възлова тъкан. По-нататъшни проучвания показват, че максималното съдържание на белязан азот в отделни азотни фракции на клетъчен сок от нодули винаги пада върху амидната група на аспарагина и глутамина. Тъй като тази група може да се разглежда като трансформиран амоняк, именно амонякът е крайният неорганичен продукт на биологичното азотно фиксиране.[...]

В биосферата азотната фиксация се осъществява от няколко групи анаеробни бактерии и цианобактерии при нормална температура и налягане, поради високата ефективност на биокатализата. Смята се, че бактериите превръщат приблизително 1 милиард тона азот годишно в свързана форма (световният обем на индустриална фиксация е около 100 милиона тона). В нодулните бактерии на бобовите растения азотната фиксация се осъществява с помощта на сложен ензимен комплекс, защитен от излишък на кислород чрез специален растителен хемоглобин.[ ...]

Една от причините за положителния ефект на молибдена върху фиксирането на молекулния азот от нодулните бактерии е увеличаването под негово действие на активността на дехидрогеназите, които осигуряват непрекъснат приток на активиран водород, необходим за редуцирането на атмосферния азот. .]

Стойността на новия нитрагинов препарат е в дългосрочното запазване на жизнеспособността на кореновите нодулни бактерии и възможността за предварително приготвяне на препарати по механизиран метод. По ефективност сухият нитрагин е близо до почвата. Може да се прилага като прах, като се поръсват семената, без да се накисват.[...]

Особено значима в азотния цикъл е ролята на симбиотичните (от гр. symbiosis - съжителство) нодулни бактерии, локализирани по корените на растенията, предимно от семейство Бобови. Бактериите от родовете Azotobacter или Rhizobium са способни да фиксират атмосферния азот чрез ензимно разцепване на N3 молекули и да го направят достъпен за кореновата система на растенията.

Биологичното фиксиране на атмосферния молекулен азот в почвата се осъществява от две групи бактерии: свободно живеещи аеробни и анаеробни и нодулни бактерии, живеещи в симбиоза с бобови растения. Най-важният представител на първата група аероби е Azotobacter, а на анаеробната - Clostridium pasteurianum. Благоприятна среда за интензивна дейност на нодулните бактерии са добре аерираните почви с леко кисела и неутрална реакция. Активността на азотфиксиращите бактерии е важна за цялостния азотен баланс в почвите, използвани в земеделието. Следователно, за дейността на нодулните бактерии е важно да се обработват почви. За да се увеличи броят на кореновите нодулни бактерии, в почвата се въвежда бактериалният препарат нитрагин, който съдържа активни раси на нодулни бактерии.[ ...]

Според Научноизследователския институт по селскостопанска микробиология в редица почви нодулните бактерии, съответстващи на една или друга бобова култура, могат да отсъстват, а тези, които присъстват, имат непродуктивна система на азотфиксация. В тази връзка микробиолозите извършиха селекционна работа. В резултат на това на всеки три години в растенията се пренасят до десет нови щама нодулни бактерии, чийто азотфиксиращ капацитет е с 10-20% по-висок от предишните референтни щамове. Създадено е и се произвежда масово лекарството ризоторфин – удобна и практична форма за доставка на нодулни бактерии до семена и растящи корени на бобови растения.[ ...]

Внесените в почвата органични и минерални торове (фосфорно-калиеви) значително подобряват способността на нодулните бактерии да усвояват атмосферния азот. За да се активира дейността на нодулните бактерии, киселите почви трябва да се варуват, а почвите в сухите райони трябва да бъдат снабдени с влага.[ ...]

Мутуализмът е взаимодействие между два организма от различни видове, което е от полза за всеки от тях. Например, азотфиксиращи нодулни бактерии живеят върху корените на бобови растения, превръщайки атмосферния азот във форма, достъпна за усвояване от тези растения. Следователно бактериите осигуряват на растенията азот. От своя страна растенията осигуряват на нодулните бактерии всички необходими хранителни вещества. Мутуализъм може да се счита и за взаимодействието между микроорганизмите, живеещи в дебелото черво на човека, и самия човек. За микроорганизмите ползата се определя от факта, че те осигуряват хранителните си нужди за сметка на съдържанието на червата, а за хората ползата се крие във факта, че микроорганизмите извършват допълнително храносмилане на храната и също така синтезират витамин К, което е от съществено значение за него.В света на цъфтящите растения опрашването от насекоми на растенията е взаимност.и храненето на насекомите с растителен нектар. Взаимността е важна и при "рециклирането" на органични вещества. Например, храносмилането на целулозата в стомаха (търбуха) на говедата се осигурява от съдържащите се в нея бактерии.[ ...]

Особеността на храненето на бобовите растения е, че те не се нуждаят от наличието на минерални азотни съединения в почвата. В симбиоза с нодулни бактерии бобовите растения използват свободния азот от атмосферата. Следователно тези култури са източник на биологичен азот за селското стопанство.[...]

В тази връзка практиката на селското стопанство твърдо навлезе в метода на инокулация - предсеитбено третиране на семена от бобови растения с препарат от нодулни бактерии от съответния вид. В различните страни техническата подготовка за инокулация на бобови растения е получила различни имена. В СССР, ГДР, ФРГ и Полша се нарича нитрагин. Следователно приемането на инокулация на съответните култури в тези страни се нарича нитрагинизация. Нитрагин повишава добива на бобови растения с 10-15%, а в нови площи на отглеждане - с 50% или повече.[ ...]

Както беше отбелязано по-горе, детелината расте лошо на кисели почви, често изтънява и понякога изпада напълно и дори през 1-вата година на употреба. Жизнената активност на нодулните бактерии върху такива почви е потисната. Киселинността на почвите, особено в северозападните райони на Нечерноземната зона (тук повече от половината от обработваемата земя е с висока киселинност), при наличието на подвижни форми на алуминий в тях, е една от причините за намаляване на добивите на трева [...] [...]]

Фиксиране на атмосферен азот. Никое зелено растение не може да се храни директно с атмосферен азот. Тъй като в резултат на дейността на денитрифициращите бактерии се наблюдава непрекъснато намаляване на запасите от свързан азот в природата и превръщането му в атмосферен азот, животът на земята би бил застрашен от неизбежна смърт поради азотен глад. Въпреки това, има група микроорганизми, способни да фиксират атмосферния азот, правейки го достъпен за растенията. Тези микроорганизми се наричат ​​азотфиксиращи бактерии, те се разделят на нодулни бактерии, които се развиват върху корените на бобови растения, и свободно живеещи в почвата.[ ...]

В резултат на тези изследвания беше установено, че белязаният газообразен атмосферен азот, фиксиран от бобовите растения, първоначално се съдържа в големи количества само в клетъчния сок на тъканта на нодулите, която е хипертрофирана коренова тъкан на бобовите растения, откъдето след това постепенно преминава в други растителни органи. В кореновите нодулни бактерии белязаният азот напълно липсва по време на експозиция на растенията от 6 до 48 часа или се съдържа в изключително малки количества, обикновено не извън границите на възможна експериментална грешка (Таблица 4).[ ...]

Освен това P. S. Kossovich принадлежи към изследванията на циркулацията на сяра и хлор в природата и икономиката, които не са загубили значението си и до днес, както и доказателството за позицията, че нодулните бактерии свързват атмосферния азот, който идва през корени, а не през листата на бобовите растения. Той успешно изучава кореновите секрети на културите, особено отделянето на въглероден диоксид, свързвайки го със способността за асимилация на корените.

Общност от организми, основана на взаимна изгода, когато два вида създават благоприятна среда за развитие един на друг, се нарича симбиоза. Пример е връзката между нодулни бактерии и бобови растения. Нодулните бактерии получават безазотни органични вещества и минерални соли от бобово растение, а в замяна му осигуряват азотни вещества, синтезирани от тях от атмосферния азот.

Аминоавтотрофите включват микроорганизми, които използват азот от амонячни соли, нитратни соли и урея. Аминоавтотрофите, когато използват азот от минерални съединения, първо го превръщат в амонячен азот и след това го консумират за изграждане на аминокиселини, от които се синтезират протеини. Предварителното превръщане на азота в амоняк се обяснява с факта, че азотът в микробната клетка е в редуцирано състояние под формата на амино (NH2) и имино групи (NH). Ролята на азота в протеиновите вещества на бактериалната протоплазма е, че той придава реактивност на протеините. Азотът трудно влиза в съединенията поради инертност, но лесно ги напуска.[...]

Влиянието на предшественика засяга преди всичко снабдяването на наторените култури с азот. Растенията, засети след бобови растения, които оставят малко азот, усвоен от нодулните бактерии от атмосферата, реагират по-добре на фосфор, отколкото тези, следващи други предшественици. С. П. Кулжински (1935) илюстрира тази ситуация с данни от украински експериментални станции (Таблица 72).[ ...]

Напоследък се натрупват все повече и повече данни, че много лизогенни култури съдържат 2, 3, 4 или повече умерени фаги, т.е. те са полилизогенни. Например, много актиномицети, проактиномицети, нодулни бактерии и някои спороносни бактерии съдържат 4 или повече фаги. Фагите, съдържащи се в полилизогенни култури, често се различават рязко един от друг по форма на частиците, антигенни свойства и спектър на литична активност. Полилизогенните култури могат да бъдат получени експериментално чрез излагането им едновременно или последователно на различни фаги с умерена температура. Получените по този начин култури не се различават от изолираните от природни източници.[ ...]

Тези промени могат да бъдат както положителни за плодовитостта, така и отрицателни. Пример за положителни промени е премахването на излишната киселинност в резултат на варуването, натрупването на азот поради дейността на нодулни бактерии по време на бобови култури, отстраняването на вредните соли в поливните почви след тяхното измиване, подобряването на водопоставянето. въздушен режим поради разрохкване на подпочвения слой и др. [ .. .]

Зеленият тор обогатява почвата основно с органични вещества и азот. Често, в зависимост от условията на неговото използване, на хектар обработваема земя се изорават 35-45 тона органична материя, съдържаща 150-200 kg азот, фиксиран от въздуха чрез нодулни бактерии (при сеитба на бобови култури).[ .. .]

Мутуализъм (симбиоза): всеки от видовете може да живее, расте и се възпроизвежда само в присъствието на другия. Симбионтите могат да бъдат само растения, или растения и животни, или само животни. Типични примери за обработени с храна симбионти са нодулни бактерии и бобови растения, микориза на някои гъби и корени на дървета, лишеи и термити.[ ...]

В природата и икономиката обаче има значителни разлики в кръговрата на азота и фосфора. Както знаете, почти 4D въздух се състои от молекулен азот. И въпреки че не е достъпен за висши растения, той се абсорбира от някои микроорганизми, по-специално нодулни бактерии, които живеят върху корените на бобовите растения. Тези бактерии доставят азотна храна не само с бобови растения. Когато растителните остатъци се заорават в почвата и корените се разлагат, остава достатъчно количество азот за култура, засята след бобови растения, особено след детелина и люцерна.[ ...]

Грахът обогатява почвата с азот само когато по корените му се развият нодули, докато колкото по-голям и по-мощен, толкова по-добре почвата е обогатена с азот. За целта граховите семена трябва да се третират в деня на сеитбата с нитрагин под навес, предпазващ азотфиксиращите бактерии от вредното въздействие на слънчевата светлина. Съдържанието на една бутилка нитрагин, разтворено в 2 литра вода, се навлажнява със семена, като се гребват с лопата. Изсушените семена се засяват без забавяне. Нитрагинизацията причинява ранно образуване на нодули и насърчава по-доброто развитие на растенията. Използването на нитрагин е ефективно за ранна сеитба на грах във влажна почва. На некалцифицирани кисели почви, нодулните бактерии се развиват слабо и ефектът на нитрагина рязко намалява.[ ...]

Типичен пример за симбиоза е тясното съжителство между гъби и водорасли, което води до образуването на по-сложен и по-приспособен растителен организъм – лишей. Друг ярък пример за симбиотично съжителство в почвата е симбиозата на гъби с висши растения, когато гъбите образуват гъби по корените на растенията. Наблюдава се изразена симбиоза между нодулни бактерии и бобови растения.[ ...]

Д. Н. Прянишников твърди, че за нашата страна по-обещаващи не са тревните ниви, а интензивните сеитбообороти. Именно те заменят триполовия тип зърно, който доминира хиляда години в Западна Европа. Под трите ниви една трета от земята е празна (късна угара), а две трети са засяти със зърнени култури. Бобовите култури не се отглеждат, което изключва възможността за мобилизиране на въздушния азот с помощта на нодулни бактерии и се отразява неблагоприятно на азотното хранене на растенията и азотния цикъл в селското стопанство. В този сеитбооборот почти липсваха обработени култури, включително картофи и кореноплодни, което доведе до заплевеляване на нивите и постоянна липса на фураж. Векове наред селското стопанство (с изключение на кулашкия елит) не можеше да излезе от порочния кръг, отбелязан от известния руски агроном от 18 век. А. Т. Болотов, който пише: „... без оборски тор земята не дава реколта и има малко оборски тор, тъй като има малко добитък, и има малко добитък, тъй като има малко фураж и има малко фураж , защото без оборски тор земята не дава плод“ (1779 г.).[ ...]

Трудностите при съхранение, транспортиране и използване на агар и бульонни препарати от нитрагин, както и краткият им срок на годност, са сериозни причини, които допринасят за изместването на този препарат от производството. Насипните прахообразни препарати от нитрагин имат неоспорими предимства пред агаровите и бульонните препарати. Технологията на тяхното производство е по-проста и по-икономична. Торфените култури издържат по-дълго и са по-лесни за транспортиране. Те предпазват клетките на нодулните бактерии от директен контакт с торове и ги поддържат жизнеспособни върху семената, особено когато семената са гранулирани с вар.

Висшето растение според схемата е източник на въглерод-съдържащи съединения. Тяхната трансформация осигурява енергиен материал за процесите на активиране и редукция на N2. Активираният азот е крайният акцептор на електрони. Продуктите от непълното окисление на въглерод-съдържащи съединения служат като ICH3 акцептори и образуват аминокиселини в възлите, които стават достъпни за висшето растение. Растенията действат като склад на въглерод-съдържащи съединения (продукти на фотосинтезата) и доставчик на енергия. Нодулните бактерии в стадия на бактероиди показват способността да прехвърлят активиран водород към азот с помощта на нитрогеназа. Пътят от N2 до T Shz се счита за процес на възстановяване.[ ...]

Граховите растения имат способността да абсорбират азот от въздуха, обогатявайки почвата с него, и следователно основната посока в системата за торове трябва да бъде използването на фосфатни и калиеви торове. Добре развитата коренова система на граха се отличава с висока способност за усвояване на хранителни вещества, но за значително увеличение на добива не може да се разчита на използването на ефекта от торовете в сеитбообращението и следователно е необходимо директно прилагане минерални торове за грах. Отговаря на употребата на фосфатни и калиеви торове. Фосфорът помага за ускоряване на съзряването на растенията. При липса на него в почвата, нодулните бактерии се развиват лошо по корените и добивът намалява. При липса на калий листата пожълтяват, а бобът се развива лошо, особено на почви с лека текстура. На кисели почви грахът рязко намалява добива, активността на нодулните бактерии е отслабена. Следователно варуването на кисели почви е предпоставка за повишаване на добива на грах и по-висока ефективност на внесените минерални торове. Дозата на вар зависи от киселинността на почвата (3...6 t/ha), по-добре е да се внесе вар под предишните култури.[ ...]

Един от най-важните процеси на взаимодействие между микроорганизмите и висшето растение е симбиотичната фиксация на атмосферния азот, основният елемент, който определя размера и качеството на реколтата. Общото количество молекулен азот, участващ в биологичния цикъл от симбиотичната система бобово-ризобий, е 3 милиона тона годишно само в СССР. Дългогодишният вътрешен и чуждестранен опит показва, че ефективната симбиоза бобово-ризобий е не само гаранция за получаване на висока и висококачествена реколта от бобови растения и следователно възможността за решаване на проблема с хранителните протеини, но и най-икономичният източник на попълване на азот в почвата. За да се използва евтин „биологичен азот“ в селскостопанското производство в много страни, се увеличават посевните площи под бобови култури, широко се използва и предсеитбената обработка на семената с препарати от нодулни бактерии, получени на базата на активни щамове Rhizobium. Естеството и ефективността на симбиотичната връзка между бобово растение и нодулни бактерии зависят от физиологичното и биохимичното състояние на двамата партньори и следователно влиянието на всякакви фактори върху един от тях със сигурност ще повлияе на производителността на системата като цяло.

Нодулите се образуват само при представители на семейство Бобови (Fabaceae). При различните растения нодулите се различават само по форма и размер. Те се образуват след проникване в кореновата система на нодулни бактерии.

Многобройни проучвания показват, че нодулните бактерии се различават една от друга и следователно родът Rhizobium трябва да се разглежда като група от сродни микроорганизми. В млада възраст тези бактерии са подвижни, пръчковидни, с дължина от 1,2 до 3 μm, разположението на жгутиците при някои видове е перитрихозно, при други – субполярно. Нодулните бактерии са грам-отрицателни аеробни организми, които не носят спори.

Възрастните бактерии губят жгутиците си, престават да бъдат подвижни и придобиват формата на препасани пръчки, тъй като с възрастта бактериалната клетка е изпълнена с мастни включвания и не се оцветява. С остаряването в възлите на културата Rhizobium често се появяват удебелени, разклонени, сферични и други форми на образуване, много по-големи от обикновените клетки. Тези полиморфни образувания се наричат ​​бактероиди.

Нодулните бактерии могат да асимилират различни въглехидрати, органични киселини и многовалентни алкохоли. Аминокиселините са им достъпни като източник на азот. За повечето култури Rhizobium оптималното рН на средата е 6,5-7,5, а оптималната температура е 24-26°C.

Установено е, че нодулните бактерии могат да заразят само определена група бобови растения. Селективната способност на тези бактерии по отношение на растенията се нарича специфичност. Това свойство се превърна в основна характеристика за развитието на таксономията на нодулните бактерии.

В някои случаи се наблюдава не само видова, но и сортова специфичност на нодулните бактерии. В допълнение към специфичността, тези бактерии се характеризират с вирулентност – способността да проникват в кореновата тъкан, да се размножават там и да предизвикват образуването на мехурчета. При определени условия тези бактерии могат да намалят или дори да загубят своята активност.

Съществено свойство на нодулните бактерии е и тяхната активност, тоест способността да асимилират молекулния азот в симбиоза с растенията. В почвата се срещат щамове на активни и неактивни нодулни бактерии. Инфекцията на бобови растения с активна раса на бактериите води до образуване на голям брой мехурчета върху главния корен и предизвиква енергичен процес на фиксиране на атмосферния азот. Неактивните раси на тези бактерии причиняват образуването на мехурчета, но азотът не се фиксира.

Нодулите, които се образуват от активни раси на бактерии, са розови на цвят. Пигментът, който им придава този цвят, е подобен по химичен състав на кръвния хемоглобин и се нарича легхемоглобин (фитоглобин). Смята се, че този пигмент допринася за процеса на усвояване на азота, поддържайки редокс потенциала на определено ниво. Нодулите, които образуват неактивни раси от бактерии, са зеленикави на цвят.

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 такива семейства като Caesalpiniaceaer 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), като 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 "телета" в нодулите 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 Beijerinck изолира бактерии от възелчетата на грах, фий, chiny, боб, seradella и близалка и изследва техните свойства, тествайки 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. Обвивката на клетките се вижда и на електронно дифракционни модели, 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 „препасаните 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. Бързо растящите бактерии включват нодули от грах, детелина, люцерна, фуражни зърна, фий, леща, чиня, 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 перитрихално, 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 на нодулни бактерии в лабораторни условия се съхраняват при ниски температури (2 - 4 °C).

Много видове нодулни бактерии са способни да синтезират витамини от група В, както и растежни вещества като хетероауксин (финдолоцетна 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.Концепцията за специфичността на нодулните бактерии е колективна. 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, граховите нодули бактерии могат да заразят растения от грах, брадичка и боб, а бактериите от грах и боб могат да заразят грахови 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 към 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. Независимо от това, OHPI 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 от голямо значение е вирулентността на микроорганизмите. 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 образуване 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 неговата конкурентна способност, която 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 тяхната активност (ефективност), т.е. способността да усвояват молекулния азот в симбиоза с бобови растения и да задоволяват 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 γ-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) са необходими 500-1000 клетки за инокулацията на дребносеменните растения, а най-малко 70 000 клетки на семе за инокулацията на едросеменните растения. Според австралийския изследовател Дж. Винсент (1966), по време на инокулацията всяко семе трябва да съдържа най-малко няколкостотин жизнеспособни и активни бактериални клетки с нодули. Има доказателства, че отделните клетки могат също да нахлуят 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.

Съществуват редица хипотези за механизма на проникване на нодулни бактерии в корена на растението. 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 фъстъците нодулите 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.

Много убедително е предположението на P. Darot и F. Mercer (1965), че нодулните бактерии проникват в корена под формата на малки (0,1 - 0,4 микрона) кокоидни клетки през интервали (0,3 - 0,4 микрона) целулозна фибриларна мрежа на първичната обвивка от коренови 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 мембрана (на кореновите косми или епидермалните клетки) и са напълно неспособни да преодолеят химически променения или корков слой на кората. странични корени.

Напоследък хипотезата за ауксина получи голяма популярност. Авторите на тази хипотеза смятат, че нодулните бактерии проникват в корена, като стимулират синтеза на β-индолооцетна киселина (хетероауксин) от триптофан, който винаги присъства в секретите на корените на растенията. Наличието на хетероауксин се свързва с изкривяване на кореновите власинки, което обикновено се наблюдава, когато кореновата система е заразена с нодулни бактерии (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 8-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 коренова коса, потвърждаваща тази хипотеза (фиг. 150, 3), показва коренов косъм, огънат под формата на чадърна дръжка, 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 tji) 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.

Морфологично - анатомични характеристики на възлите в тяхната онтогенеза.Според метода на образуване възлите на бобовите растения се разделят на два вида: 1-ви тип - възли възникват по време на разделянето на клетките на перицикла (коренов слой), обикновено разположени срещу протоксилема (първи по 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 появата на екзо- и ендотипни възли, 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 разделяне 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 често се втурва към нахлуващите хифи, привлича се от увреждането като към мястото на най-голяма физиологична активност, доближава се до конеца, набъбва и се срива. Очевидно това е характерно за реакцията на растението към инфекция.

При едногодишните растения инфекциозните нишки обикновено се появяват през първия период на заразяване на корена, при многогодишните растения - по време на дълъг период на развитие.

Бактериите могат да се отделят от нишката на инфекцията по различно време и по различни начини. Излизането на бактериите, като правило, е много дълъг процес, особено при многогодишни растения. Обикновено освобождаването на бактерии от инфекциозната нишка в цитоплазмата на растението гостоприемник е свързано с вътрешно налягане в резултат на интензивното размножаване на бактериите в нишката и тяхното отделяне на слуз. Понякога бактериите се изплъзват от нишката на групи, заобиколени от слузта на инфекциозната нишка, под формата на везикули (мехурчета) (фиг. 157). Тъй като везикулите нямат мембрани, излизането на бактериите от тях е много лесно. Нодулните бактерии също могат да влязат в растителните клетки поотделно от междуклетъчните пространства (фиг. 156).

Нодулните бактерии, които са излезли от нишката на инфекцията, продължават да се размножават в тъканта на гостоприемника. Възпроизвеждането им през този период става чрез стеснително делене (фиг. 158). По-голямата част от бактериите се размножават в цитоплазмата на клетката, а не в нишката на инфекцията. Заразените клетки пораждат бъдеща бактероидна тъкан.

Изпълнени с бързо размножаващи се клетки на нодулни бактерии, растителните клетки започват интензивно да се делят. В момента на митотично делене на заразените клетки, нодулните бактерии могат да се натрупват на два противоположни полюса на майчината клетка и пасивно да навлязат в дъщерните клетки. Всяка от неинфектираните клетки е под силен стимулиращ ефект на нодулни бактерии и в резултат на това също се разделя. Благодарение на това енергично митотично делене на меристематични клетки, нодулните бактерии се разпространяват в тъканите на възли и обемът на бактероидната област се увеличава.

Заразената тъкан, състояща се от плътно разположени и активно делящи се клетки, първо има формата на пресечен конус. Впоследствие, поради постепенното нарастване на този конус и едновременното разделяне и развитие на меристематични клетки, възловата тъкан нараства, губейки формата си на конус.

По този начин възелът се увеличава първо в резултат на радиално и тангенциално делене на клетките на сърцевината, а след това поради увеличаване на техния размер и едновременно делене. След като растителните клетки се напълнят напълно с бактерии, митозата спира. Въпреки това, клетките продължават да се увеличават по размер и често са силно удължени. Техният размер е няколко пъти по-голям от този на незаразените растителни клетки, които се намират между тях в бактероидната зона на нодула.

Свързването на млад възел с корена на бобово растение се осъществява благодарение на съдово-влакнести снопове. За първи път съдовите фиброзни снопове са наблюдавани от MS Voronin (1866). Времето на поява на съдовата система в нодулите на различните видове бобови растения е различно. И така, при соевите възли началото на развитието на съдовите снопове съвпада с момента на проникване на нодулни бактерии в два слоя на паренхима на кравата. С нарастването на възела, проводящата система расте, разклонява се и заобикаля бактероидната област.

Успоредно с процеса на диференциация на съдовата система, ендодермата на възела се образува от външния слой на първичния възел. Тогава възелът е закръглен, периферният му клетъчен слой е заобиколен от кора на нодула.

Епидермисът на корена се счупва, а възелът продължава да се развива и да се увеличава по размер.

С помощта на светлинен микроскоп върху надлъжни срезове на зрели възли обикновено ясно се разграничават 4 характерни зони на тъканна диференциация: кора, меристема, бактероидна зона и съдова система. Всички възлови тъкани се диференцират в акропетална последователност, тъй като нови клетки се инициират от меристемата.

Кора на нодула - обвивката на нодула, която изпълнява защитна функция. Кората се състои от няколко реда незаразени паренхимни клетки, чийто размер и характеристики са различни при различните бобови растения. Най-често клетките на кората имат удължена форма и са по-големи в сравнение с други клетки на възела.

В кората на възли от многогодишни дървесни видове често се откриват клетки с коркови мембрани, съдържащи смоли, танин и танини.

Меристемата на възела се намира под клетките на кората и представлява зона на интензивно делящи се и неинфектирани клетки. Меристемата на възела се характеризира с гъсто разположени, без междуклетъчни пространства, малки тънкостенни клетки с неправилна форма. Меристемните клетки на възли са подобни на клетките от други видове меристематична тъкан (корен връх, връх на стъблото). Меристемните клетки на възли съдържат плътна, фино гранулирана цитоплазма с рибозоми, тела на Голджи, протопластиди, митохондрии и други структури. Има малки вакуоли. В центъра на цитоплазмата е голямо ядро ​​с ядрена мембрана, пори и ясно дефинирано ядро. Функциите на меристематичните клетки са да образуват клетки на кората на възлите, бактероидната област и съдовата система. В зависимост от местоположението на меристемата възлите имат най-различни форми: сферични (грах, боб, серадела, фъстъци) или цилиндрични (люцерна, фий, чин, акация, детелина) (фиг. 159). Меристемата, разположена в отделни зони по периферията на нодула, води до образуването на муфтовидни възли в лупина.

Меристемата на нодула функционира дълго време, дори по време на некроза на нодули, когато те вече са пълни с лизираща бактероидна маса и унищожени растителни клетки.

Бактероидната зона на възела заема централната му част и съставлява от 16 до 50% от общата суха маса на нодулите. В първия период на образуване на възли това по същество е бактериална зона (фиг. 160), тъй като е изпълнена с бактериални клетки, които са в бактериалния, а не в бактероидния стадий на развитие. Независимо от това, когато става въпрос за зоната на възлова тъкан, съдържаща бактерии, е обичайно да я наричаме бактероид.

Бактероидната област на възела се състои главно от клетки, заразени с нодулни бактерии и отчасти от неинфектирани клетки в съседство с тях, изпълнени с пигменти, танини, а до есента - с нишесте.

При възли, образувани от ефективни щамове на нодулни бактерии, средният относителен обем на бактероидната зона е по-висок, отколкото при нодули, образувани при въвеждане на неефективни щамове.

В някои случаи обемът на бактероидната област достига максимум в ранния период на живот на нодулите и впоследствие остава относително постоянен. Бактероидната зона е пронизана от гъста мрежа от инфекциозни нишки и е заобиколена от съдови влакнести снопчета по периферията.

Формата на бактероидите в нодулите на различните видове бобови растения може да бъде разнообразна (Таблица 44). И така, в уики, ранг и грах, те са двуразклонени или разклонени. При детелината и еспарзета преобладаващата форма на бактероиди е сферична, крушовидна, подута, яйцевидна и кръгла за нахута. Формата на бактероидите на боба, серадела, птичи крак и лупина е почти пръчковидна.

Бактероидите запълват по-голямата част от растителната клетка, с изключение на централната зона на ядрото и вакуолите. По този начин процентът на бактероиди в бактероидната зона на розово оцветен възел е 94,2 от общия брой нодулни бактерии. Бактероидните клетки са 3-5 пъти по-големи от бактериалните клетки (фиг. 161.1, 2).

Бактероидите на нодулните бактерии представляват особен интерес поради факта, че те са почти единствените обитатели на нодулите на бобовите растения през периода на интензивно свързване на атмосферния азот от тях. Някои изследователи смятат бактероидите за патологични дегенеративни форми и не свързват процеса на фиксиране на азот с бактероидната форма на нодулните бактерии. Повечето изследователи установяват, че бактероидите са най-жизнеспособните и активни форми на нодулни бактерии и че бобовите растения фиксират атмосферния азот само с тяхно участие (фиг. 162).

Съдовата система на възела осигурява връзка между бактерията и растението гостоприемник. Хранителните вещества и метаболитните продукти се транспортират през съдовите снопове. Съдовата система се развива рано и функционира дълго време.

Напълно оформените съдове имат специфична структура: състоят се от ксилемни трахеиди, флоемни влакна, ситови тръби и придружаващи клетки.

В зависимост от вида на бобовите растения, свързването на възела се осъществява чрез един или повече съдови снопове. Например при граха има два диференцирани съдови възела в основата на възела. Всеки от тях обикновено се разклонява дихотомично два пъти и в резултат на това 8 снопа преминават през възела от мястото на второто дихотомично разклоняване. Много растения имат само един сноп, в същото време в една възелка Sesbania grandiflora на възраст от една година успяват да преброят до 126. Доста често съдовата система на нодула се отделя отвън от кората му от слой от частично или напълно суберизирани клетки, наречен ендодерма на възли, прикрепен към кореновата ендодерма. Ентодермата на възела е външният слой на неинфектиран говежди паренхим, разположен между възловата тъкан и кората на корена.

При повечето растителни видове възли се образуват според описания тип. Следователно образуването на възли е резултат от сложни явления, започващи извън корена. След началните фази на инфекцията се индуцира образуването на възел, след това се случва разпространението на бактериите в зоната на възеловата тъкан и азотната фиксация.

Всички етапи на развитие на нодулните бактерии, според чешкия микробиолог V. Kas (1928), могат да бъдат проследени върху участъци от възли. Така че, в горната част на възела, например, люцерната съдържа главно малки делящи се пръчковидни клетки, малко количество млади бактероиди, чийто брой се увеличава постепенно с развитието на възела. В средната, розово оцветена част на възела се откриват предимно бактероидни клетки и по-рядко дребни пръчковидни клетки. В основата на нодула в ранните етапи от вегетацията на растението гостоприемник бактероидите са същите като в средната му част, но към края на вегетационния период те са по-набъбнали и дегенерират по-рано.

Времето на появата на първите видими възли върху корените на различни видове бобови растения е различно (M. V. Fedorov, 1952). Появата им при повечето бобови растения се случва най-често по време на развитието на първите истински листа. Така образуването на първите възли на люцерната се наблюдава между 4-ия и 5-ия ден след поникването, а на 7-ия - 8-ия ден този процес настъпва в. всички растения. Нодулите на сърповидната люцерна се появяват след 10 дни.

През периода на функциониране възлите обикновено са плътни. Нодулите, образувани от активни бактериални култури, са белезникави на цвят в млада възраст. До момента на проява на оптимална активност те стават розови. Нодулите, възникнали по време на инфекция с неактивни бактериални култури, имат зеленикав цвят. Често тяхната структура практически не се различава от структурата на възлите, образувани с участието на активни щамове на нодулни бактерии, но те се унищожават преждевременно.

В някои случаи структурата на възлите, образувани от неактивни бактерии, се отклонява от нормата. Това се изразява в дезорганизация на възловата тъкан, която обикновено губи ясно изразената си зонална диференциация.

Розовият цвят се определя от наличието на пигмент във възлите, който е подобен по химичен състав на кръвния хемоглобин. В тази връзка пигментът се нарича leghemoglobin (легоглобин) - Leguminosae hemoglobin. Легоглобинът се намира само в онези възли, които съдържат бактероиди. Локализира се в пространството между бактероидите и заобикалящата ги мембрана.

Количеството му варира от 1 до 3 mg на 1 g възел, в зависимост от вида на бобовите растения.

При едногодишните бобови растения до края на вегетационния период, когато процесът на фиксиране на азота приключи, червеният пигмент се превръща в зелен. Промяната на цвета започва в основата на нодула, по-късно върхът му става зелен. При многогодишните бобови растения позеленяване на нодулите не настъпва или се наблюдава само в основата на нодула. При различните видове бобови растения преходът на червения пигмент към зелен става с различна степен на интензивност и с различна скорост.

Нодулите на едногодишните растения функционират за сравнително кратко време. При повечето бобови растения некрозата на нодула започва през периода на цъфтеж на растението гостоприемник и обикновено продължава от центъра към периферията на нодула. Един от първите признаци на разрушаване е образуването на слой от клетки с мощни стени в основата на възела. Този слой клетки, разположен перпендикулярно на главния съд на корена, го отделя от възела и забавя обмена на хранителни вещества между растението гостоприемник и тъканите на възела.

В клетките на дегенериращата тъкан на възела се появяват множество вакуоли, ядрата губят способността си да оцветяват, някои от клетките на нодулните бактерии се лизират, а някои мигрират в околната среда под формата на малки клетки на кокоидни артроспори.

Процесът на образуване на артроспори в тъканта на лизиращ възел е показан на фигури 163 - 165. Инфекциозните нишки също престават да функционират през този период (фиг. 166). Клетките гостоприемници губят тургор и се компресират от онези съседни клетки, за които той все още е характерен.

Старите възли са тъмни, отпуснати, меки. При разрязване от тях излиза водниста слуз. Процесът на унищожаване на възли, който започва със запушване на клетките на съдовата система, се улеснява от намаляване на фотосинтетичната активност на растението, сухота или прекомерна влажност на околната среда.

В унищожена, слузеста възелка често се откриват протозои, гъбички, бацили и малки пръчковидни възли бактерии.

Състоянието на растението гостоприемник влияе върху продължителността на функционирането на нодула. По този начин, според F. F. Yukhimchuk (1957), чрез кастриране или премахване на цветовете на лупина е възможно да се удължи периода на нейната вегетация и в същото време времето на активна дейност на нодулните бактерии.

Нодулите на многогодишните растения, за разлика от едногодишните възли, могат да функционират в продължение на много години. Така например караганата има многогодишни възли, в които процесът на стареене на клетките протича едновременно с образуването на нови. При глициния (китайска глициния) функционират и многогодишни възли, които образуват сферични подутини по корените на гостоприемника. До края на вегетационния период бактероидната тъкан на многогодишните възли се разгражда, но целият възел не умира. На следващата година започва да функционира отново.

Фактори, определящи симбиотичната връзка на нодулните бактерии с бобови растения.За симбиоза, която осигурява доброто развитие на растенията, е необходим определен набор от условия на околната среда. Ако условията на околната среда са неблагоприятни, тогава, въпреки високата вирулентност, конкурентна способност и активност на микросимбионта, ефективността на симбиозата ще бъде ниска.

За развитието на нодули оптималното съдържание на влага е 60 - 70% от общата влагоемкост на почвата. Минималната влажност на почвата, при която все още е възможно развитието на нодулни бактерии в почвата, е приблизително равна на 16% от общия влагоемкост. Когато влажността е под тази граница, нодулните бактерии обикновено вече не се размножават, но въпреки това те не умират и могат да останат в неактивно състояние за дълго време. Липсата на влага води и до смъртта на вече образувани възли.

Често в райони с недостатъчна влага се развиват много бобови растения, без да образуват възли.

Тъй като размножаването на нодулните бактерии не става при липса на влага, в случай на засъхнал пролет, инокулираните (изкуствено заразени) семена трябва да се внесат по-дълбоко в почвата. Например в Австралия семената, покрити с нодулни бактерии, се заравят дълбоко в почвата. Интересно е, че нодулните бактерии в почви от сух климат са по-устойчиви на суша, отколкото бактериите в почви с влажен климат. Това показва тяхната екологична адаптивност.

Излишната влага, както и нейната липса, също са неблагоприятни за симбиозата - поради намаляване на степента на аерация в кореновата зона, доставката на кислород към кореновата система на растението се влошава. Недостатъчната аерация също се отразява негативно на нодулните бактерии, живеещи в почвата, които, както знаете, се размножават по-добре, когато има кислород. Въпреки това, високата аерация в зоната на корените води до факта, че редукторите на молекулярния азот започват да свързват кислорода, намалявайки степента на азотна фиксация на възлите.

Температурният фактор играе важна роля във връзката между нодулните бактерии и бобовите растения. Температурните характеристики на различните видове бобови растения са различни. Освен това различните щамове нодулни бактерии имат свои специфични температурни оптимали за развитие и активно азотно фиксиране. Трябва да се отбележи, че оптималните температури за развитие на бобови растения, образуване на възли и азотна фиксация не съвпадат. Така че, при естествени условия, образуването на възли може да се наблюдава при температури малко над 0 ° C, фиксирането на азота практически не се случва при такива условия. Може би само арктическите симбиотични бобови растения фиксират азота при много ниски температури. Обикновено този процес протича само при 10 °C и повече. Максималната азотфиксация при редица бобови растения се наблюдава при 20 - 25 °C. Температурите над 30 °C влияят неблагоприятно върху процеса на натрупване на азот.

Екологичната адаптация към температурния фактор при нодулните бактерии е много по-малка, отколкото при много типични сапрофитни форми. Според E. N. Mishustin (1970) това се дължи на факта, че естественото местообитание на нодулните бактерии са растителните тъкани, където температурните условия се регулират от растението гостоприемник.

Реакцията на почвата оказва голямо влияние върху жизнената активност на нодулните бактерии и образуването на възли. За различните видове и дори щамове нодулни бактерии стойността на pH на местообитанието е малко по-различна. Например, нодулните бактерии от детелина са по-устойчиви на ниски стойности на рН от нодулите от люцерна. Очевидно тук се отразява и адаптирането на микроорганизмите към околната среда. Детелината расте в по-кисели почви от люцерната. Реакцията на почвата като екологичен фактор влияе върху активността и вирулентността на нодулните бактерии. Най-активните щамове са по-лесни за изолиране от почви с неутрални стойности на рН. В кисели почви по-често се срещат неактивни и слабо вирулентни щамове. Киселинната среда (рН 4,0 - 4,5) има пряк ефект върху растенията, по-специално нарушавайки синтетичните процеси на растителния метаболизъм и нормалното развитие на кореновите косми. В кисела среда в инокулирани растения периодът на функциониране на бактероидната тъкан рязко намалява, което води до намаляване на степента на азотна фиксация.

В кисели почви, както отбелязва A. V. Peterburgsky, алуминиеви и манганови соли преминават в почвения разтвор, които влияят неблагоприятно върху развитието на кореновата система на растенията и процеса на усвояване на азота и съдържанието на усвояеми форми на фосфор, калций, молибден и въглеродният диоксид също намалява. Неблагоприятната реакция на почвата се елиминира най-добре чрез варуване.

Размерът на симбиотичната азотфиксация се определя до голяма степен от хранителните условия на растението гостоприемник, а не от нодулните бактерии. Нодулните бактерии като ендотрофни симбионти на растенията зависят основно от растението за получаване на въглерод-съдържащи вещества и минерални хранителни вещества.

За нодулните бактерии гостоприемната тъкан е такава хранителна среда, която може да задоволи и най-взискателния щам поради съдържанието на всички видове хранителни вещества в тъканта. Въпреки това, след въвеждането на нодулни бактерии в тъканта на растението гостоприемник, тяхното развитие се определя не само от вътрешни процеси, но и до голяма степен зависи от действието на външни фактори, които влияят върху целия ход на инфекциозния процес. Съдържанието или отсъствието на едно или друго хранително вещество в околната среда може да бъде определящ момент за проява на симбиотична азотфиксация.

Степента на снабдяване на бобовите растения с налични форми на минерални азотни съединения определя ефективността на симбиозата. Въз основа на множество лабораторни и вегетативни експерименти е известно, че колкото повече азотсъдържащи съединения в околната среда, толкова по-трудно е за бактериите да проникнат в корена.

Селскостопанската практика изисква недвусмислено решение на проблема - по-целесъобразно е бобовите растения да се наторяват с азот или тези изследователи, които твърдят, че минералният азот потиска симбиотичната азотфиксация на бобовите растения, са прави и затова е по-икономически по-изгодно такива растения да не се наторяват с азот. В катедрата по агрономическа и биологична химия на Московската селскостопанска академия. К. А. Тимирязев провежда експерименти, резултатите от които позволяват да се получи картина на поведението на симбионтите в условията на растителност и полеви експерименти, когато растенията са снабдени с различни дози азот в околната среда. Установено е, че увеличаването на съдържанието на разтворими азотсъдържащи съединения в околната среда при полски условия при оптимални условия на растеж на растенията не предотвратява тяхната симбиоза с нодулни бактерии. Намаляването на дела на атмосферния азот, усвоен от растенията с повишено снабдяване с минерален азот, има само относителен характер. Абсолютното количество азот, усвоен от бактериите от атмосферата, практически не намалява, дори често се увеличава в сравнение с растенията, отглеждани в присъствието на коренови нодулни бактерии, но без внасяне на азот в почвата.

От голямо значение за активиране усвояването на азота от бобовите растения е фосфорното хранене. При ниско съдържание на фосфор в средата бактериите проникват в корена, но възли не се образуват. Бобовите растения имат някои особености в обмяната на фосфорсъдържащи съединения. Семената на бобовите растения са с високо съдържание на фосфор. Резервният фосфор по време на покълването на семената не се използва по същия начин, както при другите култури – относително равномерно за формиране на всички органи, но в по-голяма степен се концентрира в корените. Следователно в ранните етапи на развитие бобовите растения, за разлика от житните, задоволяват нуждите си от фосфор в по-голяма степен за сметка на семеделните растения, а не на почвените запаси. Колкото по-големи са семената, толкова по-малко бобовите растения зависят от фосфора в почвата. Въпреки това, при симбиотичния начин на съществуване, нуждата от фосфор в бобовите растения е по-висока, отколкото в автотрофния режим. Следователно, при липса на фосфор в средата на инокулираните растения, снабдяването на растенията с азот се влошава.

Известно е, че бобовите растения носят значително повече калий със своите култури, отколкото другите селскостопански култури. Следователно поташът и особено фосфатно-калиевите торове значително повишават производителността на азотфиксация от бобови растения.

Положителният ефект на калия върху образуването на възли и интензивността на азотфиксация е свързан до голяма степен с физиологичната роля на калия във въглехидратния метаболизъм на растението.

Калцият е необходим не само за премахване на прекомерната киселинност на почвата. Той играе специфична роля в развитието на нодулни бактерии и в осигуряването на нормалната симбиоза на бактериите с растението гостоприемник. Изискването на нодулни бактерии за калций може да бъде частично компенсирано от стронций. Интересно е, че нодулните бактерии от тропически култури, растящи на кисели латеритни почви, не изискват калций. Това отново показва екологичната адаптация на нодулните бактерии, тъй като тропическите почви съдържат много малки количества калций.

Симбиотичната азотфиксация също изисква магнезий, сяра и желязо. При липса на магнезий възпроизводството на нодулни бактерии се инхибира, жизнената им активност намалява и симбиотичната азотфиксация се потиска. Сярата и желязото също имат благоприятен ефект върху образуването на възли и процеса на фиксиране на азота, като по-специално играят несъмнена роля в синтеза на легхемоглобин.

От микроелементите особено отбелязваме ролята на молибдена и бора. При липса на молибден възлите се образуват лошо, в тях се нарушава синтеза на свободни аминокиселини и се потиска синтезът на легхемоглобин. Молибденът, заедно с други елементи с променлива валентност (Fe, Co, Cu), служи като посредник при преноса на електрони в редокс ензимни реакции. При недостиг на бор в нодулите не се образуват съдови снопове и в резултат на това се нарушава развитието на бактероидна тъкан.

Образуването на възли в бобовите растения се влияе до голяма степен от въглехидратния метаболизъм на растенията, който се определя от редица фактори: фотосинтеза, наличие на въглероден диоксид в околната среда и физиологични характеристики на растенията. Подобряването на въглехидратното хранене има положителен ефект върху процеса на инокулация и натрупването на азот. От практическа гледна точка голям интерес представлява използването на слама и пресен оборски тор за торене на бобови растения като източник на въглехидрати. Но през първата година след въвеждането на слама в почвата се натрупват токсични вещества по време на нейното разлагане. Трябва да се отбележи, че не всички видове бобови растения са чувствителни към токсичните продукти на разлагането на сламата; грахът например не реагира на тях.

Биологичните фактори играят определена роля в симбиозата на нодулните бактерии и бобовите растения.

Обръща се голямо внимание на влиянието на ризосферната микрофлора върху кореновите нодулни бактерии, които могат да бъдат както стимулиращи, така и антагонистични в зависимост от състава на ризосферните микроорганизми.

Много произведения са посветени на изследването на фагите на нодулните бактерии. Повечето фаги са способни да лизират различни видове бактерии; някои са специализирани само във връзка с определени видове или дори щамове на нодулни бактерии. Фагите могат да предотвратят въвеждането на бактерии в корена, да причинят клетъчен лизис в тъканта на възела. Фагите причиняват големи щети чрез лизиране на препарати от нодулни бактерии в растенията, които произвеждат нитрагин.

Сред различните видове насекоми, причиняващи увреждане на нодулните бактерии, се откроява ивичестата нодула, чиито ларви унищожават нодулите по корените на много видове бобови растения (предимно едногодишни). Широко разпространен е и четинеста нодула.

В началото на пролетта женските нодули снасят от 10 до 100 яйца. След 10 - 15 дни от яйцата се развиват дребни (до 5,5 мм), червеевидни, огънати бели ларви със светлокафява глава, които се хранят главно с възли и коренови власинки. Новоизлюпените ларви проникват в нодула и се хранят със съдържанието му. По-старите ларви унищожават нодулите отвън. Една ларва за 30 - 40 дни унищожава 2 - 6 възелчета. Те причиняват особено голяма вреда при сухо и горещо време, когато развитието на растенията се забавя.

Нодулите на люцерната и някои други видове бобови растения също се увреждат от едрия люцернов хоботник.

Женските бръмбари снасят до 400 яйца, от които се развиват безкраки, дъговидни, жълтеникавобели, с кафява глава, ларви, покрити с кафява четина. Дължината им е 10 - 14 мм. Цикълът на развитие на едрата люцерна дръжка продължава две години.

В степните райони степна нематода е открита по корените на люцерна, детелина и соя. Преди да снасят яйца, женските проникват в корена, където снасят от 12 до 20 яйца. В корените ларвите преминават през три ларвни етапа на развитие, нарушавайки функциите на корена и нодулите.

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.

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.

Това явление особено често се наблюдава при използване на нови видове бобови растения, които или са заразени с неефективни видове кръстосани бактерии, или се развиват без нодули.

Нодули в небобови растения.коренови възлиили образувания, наподобяващи възли са широко разпространени по корените не само на бобови растения. Срещат се в голосеменни и покритосеменни растения.

Има до 200 вида различни растения, които свързват азота в симбиоза с микроорганизми, които образуват възли по корените си (или листата).

Нодулите на голосеменните растения (разред Cycadales - цикади, Ginkgoales - гинко, Coniferales - иглолистни дървета) имат разклонена коралова, сферична или топчевидна форма. Те са удебелени, модифицирани странични корени. Природата на патогена, причиняващ тяхното образуване, все още не е изяснена. Ендофитите на голосеменните се класифицират като гъби (фикомицети), актиномицети, бактерии и водорасли. Някои изследователи предполагат съществуването на множествена симбиоза. Например, смята се, че Azotobacter, нодулни бактерии и водорасли участват в симбиоза в цикасите. Също така, въпросът за функцията на нодулите при голосеменните растения не е разрешен. Редица учени се опитват преди всичко да обосноват ролята на нодулите като азотфиксатори. Някои изследователи смятат подкарпните възли за резервоари с вода, а цикасовите възли често се приписват на функциите на въздушните корени.

При редица представители на покритосеменни растения, двусемеделни растения, възли по корените са открити преди повече от 100 години.

Първо, нека се спрем на характеристиките на нодулите от дървета, храсти и храсти (семейства Coriariaceae, Myricaceae, Betulaceae, Casuarinaceae, Elaeagnaceae, Rhamnaceae), включени в тази група. Нодулите на повечето представители на тази група са коралови гроздове с розово-червен цвят, които с възрастта придобиват кафяв цвят. Има доказателства за наличието на хемоглобин в тях. При видовете от рода Elaeagnus (loch) възлите са бели.

Често възлите са големи. При казуарина (Casuarina) достигат дължина 15 см. Функционират няколко години.

Растенията с нодули са често срещани в различни климатични зони или са ограничени в определен район. Така че, Shepherdia и Ceanothus се срещат само в Северна Америка, Casuarina - главно в Австралия. Лохови и морски зърнастец са много по-разпространени.

Много растения от разглежданата група растат на бедни на хранителни вещества почви - пясъци, дюни, скали, блата.

Най-подробно са проучени възлите от елша (Alnus), по-специално A. glutinosa, открити през 70-те години на миналия век от М. С. Воронин (фиг. 167). Има предположение, че нодулите са характерни не само за съвременните, но и за изчезнали видове елша, тъй като са открити върху корените на изкопаема елша в терциерните отлагания на долината на река Алдана - в Якутия.

Ендофитът в нодулите е полиморфен. Обикновено се среща като хифи, везикули и бактероиди (фиг. 168). Таксономичното положение на ендофита все още не е установено, тъй като многобройните опити да се изолира в чиста култура се оказаха безплодни и ако беше възможно да се изолират културите, те се оказаха невирулентни.

Основното значение на цялата тази група растения, очевидно, се крие в способността да фиксира молекулярен азот в симбиоза с ендофита. Отглеждайки се в райони, където отглеждането на земеделски растения не е икономически рационално, те играят ролята на пионери в развитието на земята. Така годишното увеличение на азота в почвата на дюните на Ирландия (Кабо Верде) под насаждения от Casuarina equisetifolia достига 140 kg/ha. Съдържанието на азот в почвата под елша е с 30-50% по-високо, отколкото под бреза, бор и върба. В изсушените листа на елша азотът е два пъти повече, отколкото в листата на други дървесни растения. Според изчисленията на A. Virtanen (1962), елхова горичка (средно 5 растения на 1 m 2) дава увеличение на азота от 700 kg/ha за 7 години.

Нодулите са много по-рядко срещани при представители на семейство Zygophyllaceae (парнофилни). Те са открити за първи път от B. L. Isachenko (1913) върху кореновата система на Tribulus terrestris. По-късно нодули са открити и при други видове Tribulus.

Повечето представители на семейство Zygophyllaceae са ксерофитни храсти или многогодишни билки. Те са често срещани в пустините на тропическите и субтропичните региони и растат по пясъчни дюни, пустоши и блата с умерен климат.

Интересно е да се отбележи, че тропическите растения като яркочервения парофилум образуват възли само при високи температури и ниска влажност на почвата. Почвената влага до 80% от общия влагоемкост предотвратява образуването на възли. Както е известно, обратното явление се наблюдава при бобови растения с умерен климат. При недостатъчна влага те не образуват възли.

Нодулите в растенията от семейство Parnolistaceae се различават по размер и местоположение върху кореновата система. Големи възли обикновено се развиват върху главния корен и близо до повърхността на почвата. По-малките се намират на страничните корени и на по-голяма дълбочина. Понякога по стъблата се образуват възли, ако лежат върху повърхността на почвата.

Нодулите на сухоземния трибулус по пясъците по Южен Буг изглеждат като малки бели, леко заострени или кръгли брадавици. Обикновено са покрити с плексус от гъбични хифи, проникващи в кората на корена.

В яркочервения парнолистник възлите са крайните удебеления на страничните корени на растенията. Бактероидите се намират в възли; бактериите са много подобни на кореновите възли.

Нодулите на тропическите растения Tribulus cistoides са твърди, заоблени, с диаметър около 1 mm, свързани с корените чрез широка основа, често навита върху стари корени. По-често разположени върху корените, редуващи се, от едната или от двете страни (фиг. 169). Възлите се характеризират с липса на меристемна зона. Подобно явление се забелязва при образуването на възли в иглолистните растения. Следователно възелът възниква поради клетъчното делене на перицикла на стелата.

Хистологичното изследване на възли на Tribulus cistoides на различни етапи на развитие показа, че в тях липсват микроорганизми. Въз основа на това, както и натрупването на големи количества нишесте в нодулите, те се считат за образувания, които изпълняват функцията да осигуряват на растенията резервни хранителни вещества.

Тръстиковите възли са сферични или донякъде удължени образувания с диаметър до 4 mm, плътно седнали върху корените на растенията (фиг. 170). Цветът на младите възли е най-често бял, понякога розов, старите - жълт и кафяв. Възелът е свързан с централния цилиндър на корена чрез широк съдов сноп. Точно както при Tribulus cistoides, тръстиковите възли имат кора, кравешки паренхим, ендодерма, перицикличен паренхим и съдов сноп (фиг. 171).

Бактериите в нодулите на дървесната тръстика много напомнят на кореновите нодули бактерии на бобови растения.

Нодули се намират по корените на зелето и репичките - представители на семейство кръстоцветни. Предполага се, че те се образуват от бактерии, които имат способността да свързват молекулния азот.

Сред растенията от семейство мада, нодули се срещат в кафето Coffea robusta и Coffea klainii. Разклоняват се дихотомично, понякога сплескани и приличат на ветрило. В тъканите на възела се намират бактерии и бактероидни клетки. Бактериите, според Стюарт (1932), принадлежат към Rhizobium, но той ги нарече Bacillus coffeicola.

Върху дриадата (трева от яребица) са открити нодули в растения от семейство розови. Други двама членове на това семейство, Purshia tridentata и Cercocarpus betuloides, са описали типични коралови възли. В литературата обаче няма данни за структурата на тези възли и естеството на техния патоген.

От семейство Хедър може да се спомене само едно растение - мечото ухо (или мечото грозде), което има възли по кореновата система. Много автори смятат, че това са кораловидни ектотрофни микоризи.

При покритосеменните растения, едносемеделните растения, нодулите са често срещани сред представителите на семейството на тревите: ливадна лисича опашка, ливадна синя трева, сибирска коса и солена трева. В краищата на корените се образуват възли; са продълговати, заоблени, веретеновидни. В лисичата опашка младите възли са светли, прозрачни или полупрозрачни, като с възрастта стават кафяви или черни. Данните за наличието на бактерии в клетките на възли са противоречиви.

Листни възли. Известни са над 400 вида различни растения, които образуват възли по листата. Най-много са изследвани възлите на Pavetta и Psychotria. Те са разположени на долната повърхност на листата по протежение на главната жилка или разпръснати между страничните вени, имат интензивен зелен цвят. Хлоропластите и танините са концентрирани в възли. С остаряването на възлите често се появяват пукнатини.

Образуваният възел е пълен с бактерии, които заразяват листата на растението, очевидно по време на покълването на семената. При отглеждане на стерилни семена възли не се появяват и растенията развиват хлоротични. Оказа се, че бактериите, изолирани от листните възли на Psychotria bacteriophyla, принадлежат към род Klebsiella (K. rubiacearum). Бактериите фиксират азота не само в симбиоза, но и в чиста култура - до 25 mg азот на 1 g използвана захар. Трябва да се приеме, че те играят важна роля в азотното хранене на растенията на неплодородни почви. Има основание да се смята, че те доставят растенията не само с азот, но и с биологично активни вещества.

Понякога по повърхността на листата могат да се видят лъскави филми или многоцветни петна. Образуват се - микроорганизми на филосферата - особен вид епифитни микроорганизми, които също участват в азотното хранене на растенията. Бактериите на филосферата са предимно олигонитрофили (те живеят с незначителни примеси от азотсъдържащи съединения в средата и като правило фиксират малки количества молекулен азот), които са в близък контакт с растението.

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, видовете името 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. Бързо растящите бактерии включват нодули от грах, детелина, люцерна, фуражни зърна, фий, леща, чиня, 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 перитрихално, 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 растенията от грах, брадичката 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 към 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 образуване 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), по време на инокулацията всяко семе трябва да съдържа най-малко няколкостотин жизнеспособни и активни бактериални клетки с нодули. 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 фъстъците нодулите 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 коренова коса, потвърждаваща тази хипотеза (фиг. 150, 3), показва коренов косъм, огънат под формата на чадърна дръжка, 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 деленето на перицикличните клетки (коренов слой), обикновено разположени срещу протоксилема (първи по време 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 често се втурва към нахлуващите хифи, привлича се от увреждането като към мястото на най-голяма физиологична активност, доближава се до конеца, набъбва и се срива. Очевидно това е характерно за реакцията на растението към инфекция.

При едногодишните растения инфекциозните нишки обикновено се появяват през първия период на заразяване на корена, при многогодишните растения - по време на дълъг период на развитие.

Бактериите могат да се отделят от нишката на инфекцията по различно време и по различни начини. Излизането на бактериите, като правило, е много дълъг процес, особено при многогодишни растения. Обикновено освобождаването на бактерии от инфекциозната нишка в цитоплазмата на растението гостоприемник е свързано с вътрешно налягане в резултат на интензивното размножаване на бактериите в нишката и тяхното отделяне на слуз. Понякога бактериите се изплъзват от нишката на групи, заобиколени от слузта на инфекциозната нишка, под формата на везикули (мехурчета) (фиг. 157). Тъй като везикулите нямат мембрани, излизането на бактериите от тях е много лесно. Нодулните бактерии също могат да влязат в растителните клетки поотделно от междуклетъчните пространства (фиг. 156).

,

Нодулните бактерии, които са излезли от нишката на инфекцията, продължават да се размножават в тъканта на гостоприемника. Възпроизвеждането им през този период става чрез стеснително делене (фиг. 158). По-голямата част от бактериите се размножават в цитоплазмата на клетката, а не в нишката на инфекцията. Заразените клетки пораждат бъдеща бактероидна тъкан.

Изпълнени с бързо размножаващи се клетки на нодулни бактерии, растителните клетки започват интензивно да се делят. В момента на митотично делене на заразените клетки, нодулните бактерии могат да се натрупват на два противоположни полюса на майчината клетка и пасивно да навлязат в дъщерните клетки. В този случай всяка от незаредените клетки е под силен стимулиращ ефект на нодулни бактерии и в резултат на това също се разделя. Благодарение на това енергично митотично делене на меристематични клетки, нодулните бактерии се разпространяват в тъканите на възли и обемът на бактероидната област се увеличава.

Заразената тъкан, състояща се от плътно разположени и активно делящи се клетки, първо има формата на пресечен конус. Впоследствие, поради постепенното нарастване на този конус и едновременното разделяне и развитие на меристематични клетки, възловата тъкан нараства, губейки формата си на конус.

По този начин възелът се увеличава първо в резултат на радиално и тангенциално делене на клетките на сърцевината, а след това поради увеличаване на техния размер и едновременно делене. След като растителните клетки се напълнят напълно с бактерии, митозата спира. Въпреки това, клетките продължават да се увеличават по размер и често са силно удължени. Техният размер е няколко пъти по-голям от този на незаразените растителни клетки, които се намират между тях в бактероидната зона на нодула.

Свързването на млад възел с корена на бобово растение се осъществява благодарение на съдови влакнести снопове. За първи път съдовите фиброзни снопове са наблюдавани от MS Voronin (1866). Времето на поява на съдовата система в нодулите на различните видове бобови растения е различно. И така, при соевите възли началото на развитието на съдовите снопове съвпада с момента на проникване на нодулни бактерии в два слоя на паренхима на кравата. С нарастването на възела, проводящата система расте, разклонява се и заобикаля бактероидната област.

Успоредно с процеса на диференциация на съдовата система, ендодермата на възела се образува от външния слой на първичния възел. Тогава възелът е закръглен, периферният му клетъчен слой е заобиколен от кора на нодула.

Епидермисът на корена се счупва, а възелът продължава да се развива и да се увеличава по размер.

С помощта на светлинен микроскоп върху надлъжни срезове на зрели възли обикновено се разграничават 4 характерни зони на тъканна диференциация: кора, меристема, бактероидна зона и съдова система. Всички възлови тъкани се диференцират в акропетална последователност, тъй като нови клетки се инициират от меристемата.

нодулна кора- обвивка на възела, която изпълнява защитна функция. Кората се състои от няколко реда незаразени паренхимни клетки, чийто размер и характеристики са различни при различните бобови растения. Най-често клетките на кората имат удължена форма и са по-големи в сравнение с други клетки на възела.

В кората на възли от многогодишни дървесни видове често се откриват клетки с коркови мембрани, съдържащи смоли, танин и танини.

Меристема на възелнамира се под клетките на кората и представлява зона на интензивно делящи се също неинфектирани клетки. Меристемата на възела се характеризира с гъсто разположени, без междуклетъчни пространства, малки тънкостенни клетки с неправилна форма. Меристемните клетки на възли са подобни на клетките от други видове меристематична тъкан (корен връх, връх на стъблото). Меристемните клетки на възли съдържат плътна, фино гранулирана цитоплазма с рибозоми, тела на Голджи, протопластиди, митохондрии и други структури. Има малки вакуоли. В центъра на цитоплазмата е голямо ядро ​​с ядрена мембрана, пори и ясно дефинирано ядро. Функциите на меристематичните клетки са да образуват клетки на кората на възлите, бактероидната област и съдовата система. В зависимост от местоположението на меристемата възлите имат най-различни форми: сферични (грах, боб, серадела, фъстъци) или цилиндрични (люцерна, фий, чин, акация, детелина) (фиг. 159). Меристемата, разположена в отделни зони по периферията на нодула, води до образуването на муфтовидни възли в лупина.

Меристемата на нодула функционира дълго време, дори по време на некроза на нодули, когато те вече са пълни с лизираща бактероидна маса и унищожени растителни клетки.

Бактероидна зонавъзелът заема централната му част и съставлява от 16 до 50% от общата суха маса на нодулите. В първия период на образуване на възли това по същество е бактериална зона (фиг. 160), тъй като е изпълнена с бактериални клетки, които са в бактериалния, а не в бактероидния стадий на развитие. Независимо от това, когато става въпрос за зоната на възлова тъкан, съдържаща бактерии, е обичайно да я наричаме бактероид.

Бактероидната област на възела се състои главно от клетки, заразени с нодулни бактерии и отчасти от неинфектирани клетки в съседство с тях, изпълнени с пигменти, танини, а до есента - с нишесте.

При възли, образувани от ефективни щамове на нодулни бактерии, средният относителен обем на бактероидната зона е по-висок, отколкото при нодули, образувани при въвеждане на неефективни щамове.

В някои случаи обемът на бактероидната област достига максимум в ранния период на живот на нодулите и впоследствие остава относително постоянен. Бактероидната зона е пронизана от гъста мрежа от инфекциозни нишки и е заобиколена от съдови влакнести снопчета по периферията.

Формата на бактероидите в нодулите на различните видове бобови растения може да бъде разнообразна (Таблица 44). И така, в уики, ранг и грах, те са двуразклонени или разклонени. При детелината и еспарзета преобладаващата форма на бактероиди е сферична, крушовидна, подута, яйцевидна и кръгла за нахута. Формата на бактероидите на боба, серадела, птичи крак и лупина е почти пръчковидна.

Бактероидите запълват по-голямата част от растителната клетка, с изключение на централната зона на ядрото и вакуолите. По този начин процентът на бактероиди в бактероидната зона на розово оцветен възел е 94,2 от общия брой нодулни бактерии. Бактероидните клетки са 3-5 пъти по-големи от бактериалните клетки (фиг. 161, 1, 2).

Бактероидите на нодулните бактерии представляват особен интерес поради факта, че те са почти единствените обитатели на нодулите на бобовите растения през периода на интензивно свързване на атмосферния азот от тях. Някои изследователи смятат бактероидите за патологични дегенеративни форми и не свързват процеса на фиксиране на азот с бактероидната форма на нодулните бактерии. Повечето изследователи установяват, че бактероидите са най-жизнеспособните и активни форми на нодулни бактерии и че бобовите растения фиксират атмосферния азот само с тяхно участие (фиг. 162).

Съдова системавъзелът осигурява връзка между бактерията и растението гостоприемник. Хранителните вещества и метаболитните продукти се транспортират през съдовите снопове. Съдовата система се развива рано и функционира дълго време.

Напълно оформените съдове имат специфична структура: състоят се от ксилемни трахеиди, флоемни влакна, ситови тръби и придружаващи клетки.

В зависимост от вида на бобовите растения, свързването на възела се осъществява чрез един или повече съдови снопове. Например при граха има два диференцирани съдови възела в основата на възела. Всеки от тях обикновено се разклонява дихотомично два пъти и в резултат на това 8 снопа преминават през възела от мястото на второто дихотомично разклоняване. Много растения имат само един сноп, в същото време в една възелка Sesbania grandiflora на възраст от една година успяват да преброят до 126. Доста често съдовата система на нодула се отделя отвън от кората му от слой от частично или напълно суберизирани клетки, наречен ендодерма на възли, прикрепен към кореновата ендодерма. Ентодермата на възела е външният слой на неинфектиран говежди паренхим, разположен между възловата тъкан и кората на корена.

При повечето растителни видове възли се образуват според описания тип. Следователно образуването на възли е резултат от сложни явления, започващи извън корена. След началните фази на инфекцията се индуцира образуването на възел, след това се случва разпространението на бактериите в зоната на възеловата тъкан и азотната фиксация.

Всички етапи на развитие на нодулните бактерии, според чешкия микробиолог V. Kas (1928), могат да бъдат проследени върху участъци от възли. Така че, в горната част на възела, например, люцерната съдържа главно малки делящи се пръчковидни клетки, малко количество млади бактероиди, чийто брой се увеличава постепенно с развитието на възела. В средната, розово оцветена част на възела се откриват предимно бактероидни клетки и по-рядко дребни пръчковидни клетки. В основата на нодула в ранните етапи от вегетацията на растението гостоприемник бактероидите са същите като в средната му част, но към края на вегетационния период те са по-набъбнали и дегенерират по-рано.

Времето на появата на първите видими възли върху корените на различни видове бобови растения е различно (M. V. Fedorov, 1952). Появата им при повечето бобови растения се случва най-често по време на развитието на първите истински листа. Така образуването на първите възли на люцерната се наблюдава между 4-ия и 5-ия ден след поникването, а на 7-8-ия ден този процес протича във всички растения. Нодулите на сърповидната люцерна се появяват след 10 дни.

През периода на функциониране възлите обикновено са плътни. Нодулите, образувани от активни бактериални култури, са белезникави на цвят в млада възраст. До момента на проява на оптимална активност те стават розови. Нодулите, възникнали по време на инфекция с неактивни бактериални култури, имат зеленикав цвят. Често тяхната структура практически не се различава от структурата на възлите, образувани с участието на активни щамове на нодулни бактерии, но те се унищожават преждевременно.

В някои случаи структурата на възлите, образувани от неактивни бактерии, се отклонява от нормата. Това се изразява в дезорганизация на възловата тъкан, която обикновено губи ясно изразената си зонална диференциация.

Розовият цвят се определя от наличието на пигмент във възлите, който е подобен по химичен състав на кръвния хемоглобин. Във връзка с това пигментът се нарича leghemoglobin (легоглобин) - Leguminosae hemoglobin. Легоглобинът се намира само в онези възли, които съдържат бактероиди. Локализира се в пространството между бактероидите и заобикалящата ги мембрана.

Количеството му варира от 1 до 3 mg на 1 g възел, в зависимост от вида на бобовите растения.

При едногодишните бобови растения до края на вегетационния период, когато процесът на фиксиране на азота приключи, червеният пигмент се превръща в зелен. Промяната на цвета започва в основата на нодула, по-късно върхът му става зелен. При многогодишните бобови растения позеленяване на нодулите не настъпва или се наблюдава само в основата на нодула. При различните видове бобови растения преходът на червения пигмент към зелен става с различна степен на интензивност и с различна скорост.

Нодулите на едногодишните растения функционират за сравнително кратко време. При повечето бобови растения некрозата на нодула започва през периода на цъфтеж на растението гостоприемник и обикновено продължава от центъра към периферията на нодула. Един от първите признаци на разрушаване е образуването на слой от клетки с мощни стени в основата на възела. Този слой клетки, разположен перпендикулярно на главния съд на корена, го отделя от възела и забавя обмена на хранителни вещества между растението гостоприемник и тъканите на възела.

В клетките на дегенериращата тъкан на възела се появяват множество вакуоли, ядрата губят способността си да оцветяват, някои от клетките на нодулните бактерии се лизират, а някои мигрират в околната среда под формата на малки клетки на кокоидни артроспори.

Процесът на образуване на артроспори в тъканта на лизиращ възел е показан на фигури 163-165. Спрете да функционират през този период и инфекциозни нишки (фиг. 166). Клетките гостоприемници губят тургор и се компресират от онези съседни клетки, за които той все още е характерен.

,
, ,

Старите възли са тъмни, отпуснати, меки. При разрязване от тях излиза водниста слуз. Процесът на унищожаване на възли, който започва със запушване на клетките на съдовата система, се улеснява от намаляване на фотосинтетичната активност на растението, сухота или прекомерна влажност на околната среда.

В унищожена, слузеста възелка често се откриват протозои, гъбички, бацили и малки пръчковидни възли бактерии.

Състоянието на растението гостоприемник влияе върху продължителността на функционирането на нодула. По този начин, според F. F. Yukhimchuk (1957), чрез кастриране или премахване на цветовете на лупина е възможно да се удължи периода на нейната вегетация и в същото време времето на активна дейност на нодулните бактерии.

Нодулите на многогодишните растения, за разлика от едногодишните възли, могат да функционират в продължение на много години. Така например караганата има многогодишни възли, в които процесът на стареене на клетките протича едновременно с образуването на нови. При глициния (китайска глициния) функционират и многогодишни възли, които образуват сферични подутини по корените на гостоприемника. До края на вегетационния период бактероидната тъкан на многогодишните възли се разгражда, но целият възел не умира. На следващата година започва да функционира отново.

Фактори, определящи симбиотичната връзка на нодулните бактерии с бобови растения.За симбиоза, която осигурява доброто развитие на растенията, е необходим определен набор от условия на околната среда. Ако условията на околната среда са неблагоприятни, тогава, въпреки високата вирулентност, конкурентна способност и активност на микросимбионта, ефективността на симбиозата ще бъде ниска.

За развитието на нодули оптималното съдържание на влага е 60-70% от общата влагоемкост на почвата. Минималната влажност на почвата, при която все още е възможно развитието на нодулни бактерии в почвата, е приблизително равна на 16% от общия влагоемкост. Когато влажността е под тази граница, нодулните бактерии обикновено вече не се размножават, но въпреки това те не умират и могат да останат в неактивно състояние за дълго време. Липсата на влага води и до смъртта на вече образувани възли.

Често в райони с недостатъчна влага се развиват много бобови растения, без да образуват възли.

Тъй като размножаването на нодулните бактерии не става при липса на влага, в случай на засъхнал пролет, инокулираните (изкуствено заразени) семена трябва да се внесат по-дълбоко в почвата. Например в Австралия семената, покрити с нодулни бактерии, се заравят дълбоко в почвата. Интересно е, че нодулните бактерии в почви от сух климат са по-устойчиви на суша, отколкото бактериите в почви с влажен климат. Това показва тяхната екологична адаптивност.

Излишната влага, както и нейната липса, също са неблагоприятни за симбиозата - поради намаляване на степента на аерация в кореновата зона, доставката на кислород към кореновата система на растението се влошава. Недостатъчната аерация също се отразява негативно на нодулните бактерии, живеещи в почвата, които, както знаете, се размножават по-добре, когато има кислород. Въпреки това, високата аерация в зоната на корените води до факта, че редукторите на молекулярния азот започват да свързват кислорода, намалявайки степента на азотна фиксация на възлите.

Температурният фактор играе важна роля във връзката между нодулните бактерии и бобовите растения. Температурните характеристики на различните видове бобови растения са различни. Освен това различните щамове нодулни бактерии имат свои специфични температурни оптимали за развитие и активно азотно фиксиране. Трябва да се отбележи, че оптималните температури за развитие на бобови растения, образуване на възли и азотна фиксация не съвпадат. Така че, при естествени условия, образуването на възли може да се наблюдава при температури малко над 0 ° C, фиксирането на азота практически не се случва при такива условия. Може би само арктическите симбиотични бобови растения фиксират азота при много ниски температури. Обикновено този процес протича само при 10 °C и повече. Максималната азотфиксация при редица бобови растения се наблюдава при 20-25 °C. Температурите над 30 °C влияят неблагоприятно върху процеса на натрупване на азот.

Екологичната адаптация към температурния фактор при нодулните бактерии е много по-малка, отколкото при много типични сапрофитни форми. Според E. N. Mishustin (1970) това се дължи на факта, че естественото местообитание на нодулните бактерии са растителните тъкани, където температурните условия се регулират от растението гостоприемник.

Реакцията на почвата оказва голямо влияние върху жизнената активност на нодулните бактерии и образуването на възли. За различните видове и дори щамове нодулни бактерии стойността на pH на местообитанието е малко по-различна. Например, нодулните бактерии от детелина са по-устойчиви на ниски стойности на рН от нодулите от люцерна. Очевидно тук се отразява и адаптирането на микроорганизмите към околната среда. Детелината расте в по-кисели почви от люцерната. Реакцията на почвата като екологичен фактор влияе върху активността и вирулентността на нодулните бактерии. Най-активните щамове са по-лесни за изолиране от почви с неутрални стойности на рН. В кисели почви по-често се срещат неактивни и слабо вирулентни щамове. Киселинната среда (рН 4,0-4,5) има пряк ефект върху растенията, по-специално нарушавайки синтетичните процеси на растителния метаболизъм и нормалното развитие на кореновите косми. В кисела среда в инокулирани растения периодът на функциониране на бактероидната тъкан рязко намалява, което води до намаляване на степента на азотна фиксация.

В кисели почви, както отбелязва A. V. Peterburgsky, алуминиеви и манганови соли преминават в почвения разтвор, които влияят неблагоприятно върху развитието на кореновата система на растенията и процеса на усвояване на азота и съдържанието на усвояеми форми на фосфор, калций, молибден и въглеродният диоксид също намалява. Неблагоприятната реакция на почвата се елиминира най-добре чрез варуване.

Размерът на симбиотичната азотфиксация се определя до голяма степен от хранителните условия на растението гостоприемник, а не от нодулните бактерии. Нодулните бактерии като ендотрофни симбионти на растенията зависят основно от растението за получаване на въглерод-съдържащи вещества и минерални хранителни вещества.

За нодулните бактерии гостоприемната тъкан е такава хранителна среда, която може да задоволи и най-взискателния щам поради съдържанието на всички видове хранителни вещества в тъканта. Въпреки това, след въвеждането на нодулни бактерии в тъканта на растението гостоприемник, тяхното развитие се определя не само от вътрешни процеси, но и до голяма степен зависи от действието на външни фактори, които влияят върху целия ход на инфекциозния процес. Съдържанието или отсъствието на едно или друго хранително вещество в околната среда може да бъде определящ момент за проява на симбиотична азотфиксация.

Степента на снабдяване на бобовите растения с налични форми на минерални азотни съединения определя ефективността на симбиозата. Въз основа на множество лабораторни и вегетативни експерименти е известно, че колкото повече азотсъдържащи съединения в околната среда, толкова по-трудно е за бактериите да проникнат в корена.

Селскостопанската практика изисква недвусмислено решение на проблема - по-целесъобразно е бобовите растения да се наторяват с азот или тези изследователи, които твърдят, че минералният азот потиска симбиотичната азотфиксация на бобовите растения, са прави и затова е по-икономически по-изгодно такива растения да не се наторяват с азот. В катедрата по агрономическа и биологична химия на Московската селскостопанска академия. К. А. Тимирязев провежда експерименти, резултатите от които позволяват да се получи картина на поведението на симбионтите в условията на растителност и полеви експерименти, когато растенията са снабдени с различни дози азот в околната среда. Установено е, че увеличаването на съдържанието на разтворими азотсъдържащи съединения в околната среда при полски условия при оптимални условия на растеж на растенията не предотвратява тяхната симбиоза с нодулни бактерии. Намаляването на дела на атмосферния азот, усвоен от растенията с повишено снабдяване с минерален азот, има само относителен характер. Абсолютното количество азот, усвоен от бактериите от атмосферата, практически не намалява, дори често се увеличава в сравнение с растенията, отглеждани в присъствието на коренови нодулни бактерии, но без внасяне на азот в почвата.

От голямо значение за активиране усвояването на азота от бобовите растения е фосфорното хранене. При ниско съдържание на фосфор в средата бактериите проникват в корена, но възли не се образуват. Бобовите растения имат някои особености в обмяната на фосфорсъдържащи съединения. Семената на бобовите растения са с високо съдържание на фосфор. Резервният фосфор по време на покълването на семената не се използва по същия начин, както при другите култури – относително равномерно за формиране на всички органи, но в по-голяма степен се концентрира в корените. Следователно в ранните етапи на развитие бобовите растения, за разлика от житните, задоволяват нуждите си от фосфор в по-голяма степен за сметка на семеделните растения, а не на почвените запаси. Колкото по-големи са семената, толкова по-малко бобовите растения зависят от фосфора в почвата. Въпреки това, при симбиотичния начин на съществуване, нуждата от фосфор в бобовите растения е по-висока, отколкото в автотрофния режим. Следователно, при липса на фосфор в средата на инокулираните растения, снабдяването на растенията с азот се влошава.

Известно е, че бобовите растения носят значително повече калий със своите култури, отколкото другите селскостопански култури. Следователно поташът и особено фосфорно-калиевите торове значително повишават производителността на азотфиксация от бобовите растения.

Положителният ефект на калия върху образуването на възли и интензивността на азотфиксация е свързан до голяма степен с физиологичната роля на калия във въглехидратния метаболизъм на растението.

Калцият е необходим не само за премахване на прекомерната киселинност на почвата. Той играе специфична роля в развитието на нодулни бактерии и в осигуряването на нормалната симбиоза на бактериите с растението гостоприемник. Изискването на нодулни бактерии за калций може да бъде частично компенсирано от стронций. Интересно е, че нодулните бактерии от тропически култури, растящи на кисели латеритни почви, не изискват калций. Това отново показва екологичната адаптация на нодулните бактерии, тъй като тропическите почви съдържат много малки количества калций.

Симбиотичната азотфиксация също изисква магнезий, сяра и желязо. При липса на магнезий възпроизводството на нодулни бактерии се инхибира, жизнената им активност намалява и симбиотичната азотфиксация се потиска. Сярата и желязото също имат благоприятен ефект върху образуването на възли и процеса на фиксиране на азота, като по-специално играят несъмнена роля в синтеза на легхемоглобин.

От микроелементите особено отбелязваме ролята на молибдена и бора. При липса на молибден възлите се образуват лошо, в тях се нарушава синтеза на свободни аминокиселини и се потиска синтезът на легхемоглобин. Молибденът, заедно с други елементи с променлива валентност (Fe, Co, Cu) служи като посредник при преноса на електрони в редокс ензимни реакции. При недостиг на бор в нодулите не се образуват съдови снопове и в резултат на това се нарушава развитието на бактероидна тъкан.

Образуването на възли в бобовите растения се влияе до голяма степен от въглехидратния метаболизъм на растенията, който се определя от редица фактори: фотосинтеза, наличие на въглероден диоксид в околната среда и физиологични характеристики на растенията. Подобряването на въглехидратното хранене има положителен ефект върху процеса на инокулация и натрупването на азот. От практическа гледна точка голям интерес представлява използването на слама и пресен сламен оборски тор за торене на бобови растения като източник на въглехидрати. Но през първата година след въвеждането на слама в почвата се натрупват токсични вещества по време на нейното разлагане. Трябва да се отбележи, че не всички видове бобови растения са чувствителни към токсичните продукти на разлагането на сламата; грахът например не реагира на тях.

Биологичните фактори играят определена роля в симбиозата на нодулните бактерии и бобовите растения.

Обръща се голямо внимание на влиянието на ризосферната микрофлора върху кореновите нодулни бактерии, които могат да бъдат както стимулиращи, така и антагонистични в зависимост от състава на ризосферните микроорганизми.

Много произведения са посветени на изследването на фагите на нодулните бактерии. Повечето фаги са способни да лизират различни видове бактерии; някои са специализирани само във връзка с отделни видове или дори щамове на нодулни бактерии. Фагите могат да предотвратят въвеждането на бактерии в корена, да причинят клетъчен лизис в тъканта на възела. Фагите причиняват големи щети чрез лизиране на препарати от нодулни бактерии в растенията, които произвеждат нитрагин.

Сред различните видове насекоми, причиняващи увреждане на нодулните бактерии, се откроява ивичестата нодула, чиито ларви унищожават нодулите по корените на много видове бобови растения (предимно едногодишни). Широко разпространен е и четинеста нодула.

В началото на пролетта женските нодули снасят от 10 до 100 яйца. След 10-15 дни от яйцата се развиват дребни (до 5,5 мм), червеевидни, огънати бели ларви със светлокафява глава, които се хранят главно с възли и коренови власинки. Новоизлюпените ларви проникват в нодула и се хранят със съдържанието му. По-старите ларви унищожават нодулите отвън. Една ларва унищожава 2-6 възли за 30-40 дни. Те причиняват особено голяма вреда при сухо и горещо време, когато развитието на растенията се забавя.

Нодулите на люцерната и някои други видове бобови растения също се увреждат от едрия люцернов хоботник.

Женските бръмбари снасят до 400 яйца, от които се развиват безкраки, дъговидни, жълтеникавобели, с кафява глава, ларви, покрити с кафява четина. Дължината им е 10-14 мм. Цикълът на развитие на едрата люцерна дръжка продължава две години.

В степните райони степна нематода е открита по корените на люцерна, детелина и соя. Преди да снасят яйца, женските проникват в корена, където снасят от 12 до 20 яйца. В корените ларвите преминават през три ларвни етапа на развитие, нарушавайки функциите на корена и нодулите.

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.

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.

Това явление особено често се наблюдава при използване на нови видове бобови растения, които или са заразени с неефективни видове кръстосани бактерии, или се развиват без нодули.

Нодули в небобови растения.

Кореновите възли или образувания, наподобяващи нодули, са широко разпространени по корените не само на бобови растения. Срещат се в голосеменни и покритосеменни растения.

Има до 200 вида различни растения, които свързват азота в симбиоза с микроорганизми, които образуват възли по корените си (или листата).

Нодулите на голосеменните растения (разред Cycadales - цикади, Ginkgoales - giikgovye, Coniferales - иглолистни) имат разклонена коралова, сферична или топчевидна форма. Те са удебелени, модифицирани странични корени. Природата на патогена, причиняващ тяхното образуване, все още не е изяснена. Ендофитите на голосеменните се класифицират като гъби (фикомицети), актиномицети, бактерии и водорасли. Някои изследователи предполагат съществуването на множествена симбиоза. Например, смята се, че Azotobacter, нодулни бактерии и водорасли участват в симбиоза в цикасите. Също така, въпросът за функцията на нодулите при голосеменните растения не е разрешен. Редица учени се опитват преди всичко да обосноват ролята на нодулите като азотфиксатори. Някои изследователи смятат подкарпните възли за резервоари с вода, а цикасовите възли често се приписват на функциите на въздушните корени.

При редица представители на покритосеменни растения, двусемеделни растения, възли по корените са открити преди повече от 100 години.

Първо, нека се спрем на характеристиките на нодулите на дървета, храсти и храсти (семейства Coriariacoae, Myricaceae, Betulaceae, Casuarinaceae, Elaeagnaceae и Rhamnaceae), включени в тази група. Нодулите на повечето представители на тази група са коралови гроздове с розово-червен цвят, които с възрастта придобиват кафяв цвят. Има доказателства за наличието на хемоглобин в тях. При видовете от рода Elaeagnus (loch) възлите са бели.

Често възлите са големи. При казуарина (Casuarina) достигат дължина 15 см. Функционират няколко години.

Растенията с възли са често срещани в различни климатични зони или ограничени в определен район. Така че, Shepherdia и Ceanothus се срещат само в Северна Америка, Casuarina - главно в Австралия. Лохови и морски зърнастец са много по-разпространени.

Много растения от разглежданата група растат на бедни на хранителни вещества почви - пясъци, дюни, скали, блата.

Най-подробно са проучени възлите от елша (Alnus), по-специално A. glutinosa, открити през 70-те години на миналия век от М. С. Воронин (фиг. 167). Има предположение, че възлите са характерни не само за съвременните, но и за изчезнали видове елша, тъй като са открити върху корените на изкопаема елша в терциерните отлагания на долината на река Алдана - в Якутия.

Ендофитът в нодулите е полиморфен. Обикновено се среща като хифи, везикули и бактероиди (фиг. 168). Таксономичното положение на ендофита все още не е установено, тъй като многобройните опити да се изолира в чиста култура се оказаха безплодни и ако беше възможно да се изолират културите, те се оказаха невирулентни.

Основното значение на цялата тази група растения, очевидно, се крие в способността да фиксира молекулярен азот в симбиоза с ендофита. Отглеждайки се в райони, където отглеждането на земеделски растения не е икономически рационално, те играят ролята на пионери в развитието на земята. Така годишното увеличение на азота в почвата на дюните на Ирландия (Кабо Верде) под насаждения от Casuarina equisetifolia достига 140 kg/ha. Съдържанието на азот в почвата под елша е с 30-50% по-високо, отколкото под бреза, бор и върба. В изсушените листа на елша азотът е два пъти повече, отколкото в листата на други дървесни растения. Според изчисленията на А. Виртанен (1962), елховата горичка (средно 5 растения на 1 m2) дава увеличение на азота от 700 kg/ha за 7 години.

Нодулите са много по-рядко срещани при представители на семейство Zygophyllaceae (парнофилни). Те са открити за първи път от B. L. Isachenko (1913) върху кореновата система на Tribulus terrestris. По-късно нодули са открити и при други видове Tribulus.

Повечето представители на семейство Zygophyllaceae са ксерофитни храсти или многогодишни билки. Те са често срещани в пустините на тропическите и субтропичните региони и растат по пясъчни дюни, пустоши и блата с умерен климат.

Интересно е да се отбележи, че тропическите растения като яркочервения парофилум образуват възли само при високи температури и ниска влажност на почвата. Почвената влага до 80% от общия влагоемкост предотвратява образуването на възли. Както е известно, обратното явление се наблюдава при бобови растения с умерен климат. При недостатъчна влага те не образуват възли.

Нодулите в растенията от семейство парнофилни се различават по размер и местоположение върху кореновата система. Големи възли обикновено се развиват върху главния корен и близо до повърхността на почвата. По-малките се намират на страничните корени и на по-голяма дълбочина. Понякога по стъблата се образуват възли, ако лежат върху повърхността на почвата.

Нодулите на сухоземния трибулус по пясъците по Южен Буг изглеждат като малки бели, леко заострени или кръгли брадавици.

Обикновено са покрити с плексус от гъбични хифи, проникващи в кората на корена.

В яркочервения парнолистник възлите са крайните удебеления на страничните корени на растенията. Бактероидите се намират в възли; бактериите са много подобни на кореновите възли.

Нодулите на тропическите растения Tribulus cistoides са твърди, заоблени, с диаметър около 1 mm, свързани с корените чрез широка основа, често навита върху стари корени. По-често разположени върху корените, редуващи се, от едната или от двете страни (фиг. 169). Възлите се характеризират с липса на меристемна зона. Подобно явление се забелязва при образуването на възли в иглолистните растения. Следователно възелът възниква поради клетъчното делене на перицикла на стелата.

Хистологичното изследване на възли на Tribulus cistoides на различни етапи на развитие показа, че в тях липсват микроорганизми. Въз основа на това, както и натрупването на големи количества нишесте в нодулите, те се считат за образувания, които изпълняват функцията да осигуряват на растенията резервни хранителни вещества.

Тръстиковите възли са сферични или донякъде удължени образувания с диаметър до 4 mm, плътно седнали върху корените на растенията (фиг. 170). Цветът на младите възли е най-често бял, понякога розов, старите - жълт и кафяв. Възелът е свързан с централния цилиндър на корена чрез широк съдов сноп. Точно както при Tribulus cistoides, тръстиковите възли имат кора, кравешки паренхим, ендодерма, перицикличен паренхим и съдов сноп (фиг. 171).

Бактериите в нодулите на дървесната тръстика много напомнят на кореновите нодули бактерии на бобови растения.

Нодули се намират по корените на зелето и репичките - представители на семейство кръстоцветни. Предполага се, че те се образуват от бактерии, които имат способността да свързват молекулния азот.

Сред растенията от семейство мада, нодули се срещат в кафето Coffea robusta и Coffea klainii. Разклоняват се дихотомично, понякога сплескани и приличат на ветрило. В тъканите на възела се намират бактерии и бактероидни клетки. Бактериите, според Стюарт (1932), принадлежат към Rhizobium, но той ги нарече Bacillus coffeicola.

Върху дриадата (трева от яребица) са открити нодули в растения от семейство розови. Други двама членове на това семейство, Purshia tridentata и Cercocarpus betuloides, са описали типични коралови възли. В литературата обаче няма данни за структурата на тези възли и естеството на техния патоген.

От семейство Хедър може да се спомене само едно растение - мечото ухо (или мечото грозде), което има възли по кореновата система. Много автори смятат, че това са кораловидни ектотрофни микоризи.

При покритосеменните растения, едносемеделните растения, нодулите са често срещани сред представителите на семейството на тревите: ливадна лисича опашка, ливадна синя трева, сибирска коса и солена трева. В краищата на корените се образуват възли; са продълговати, заоблени, веретеновидни. В лисичата опашка младите възли са светли, прозрачни или полупрозрачни, като с възрастта стават кафяви или черни. Данните за наличието на бактерии в клетките на възли са противоречиви.

Листни възли.

Известни са над 400 вида различни растения, които образуват възли по листата. Най-много са изследвани възлите на Pavetta и Psychotria. Те са разположени на долната повърхност на листата по протежение на главната жилка или разпръснати между страничните вени, имат интензивен зелен цвят. Хлоропластите и танините са концентрирани в възли. С остаряването на възлите често се появяват пукнатини.

Образуваният възел е пълен с бактерии, които заразяват листата на растението, очевидно по време на покълването на семената. При отглеждане на стерилни семена възли не се появяват и растенията развиват хлоротични. Оказа се, че бактериите, изолирани от листните възли на Psychotria bacteriopbyla, принадлежат към род Klebsiella (K. rubiacearum). Бактериите фиксират азота не само в симбиоза, но и в чиста култура - до 25 mg азот на 1 g използвана захар. Трябва да се приеме, че те играят важна роля в азотното хранене на растенията на неплодородни почви. Има основание да се смята, че те доставят растенията не само с азот, но и с биологично активни вещества.

Понякога по повърхността на листата могат да се видят лъскави филми или многоцветни петна. Те се образуват от микроорганизми на филосферата - специален вид епифитни микроорганизми, които също участват в азотното хранене на растенията. Бактериите на филосферата са предимно олигонитрофили (те живеят с незначителни примеси от азотсъдържащи съединения в средата и като правило фиксират малки количества молекулен азот), които са в близък контакт с растението.

Биологичен енциклопедичен речник

Род азотфиксиращи бактерии, които образуват възли по корените на много бобови растения. Абсорбирайте атмосферния молекулен азот и го преобразувайте в азотни съединения, усвоени от растенията, които от своя страна осигуряват други растения ... ... Екологичен речник

Род бактерии, които образуват възли по корените на много бобови растения и фиксират молекулния азот във въздуха в условия на симбиоза с растението. Те не образуват спори, те са аероби. Обогатете почвата с азот. Вижте също Фиксиране на азот... Голям енциклопедичен речник

Напречно сечение на нодула от корен на соя. Бактерии, лат. Bradyrhizobium japonicum засява корените и влиза в азотфиксираща симбиоза. Нодулни бактерии... Wikipedia - симбионтни бактерии, които се развиват върху тъканите на корените на бобови растения и някои други растения, способни да свързват свободния азот от въздуха и да го правят достъпен за висши растения ... Речник на ботанически термини

Те живеят върху корените на бобовите растения. и образуват специални възли върху тях, вариращи по размер от маково семе до боб и по-големи. К. б. са важен фактор за повишаване на добивите, тъй като с тяхна помощ се развиват бобовите култури. абсорбира свободния азот от атмосферата... Селскостопански речник-справочник

нодулни бактерии- (Rhizobium), род аеробни бактерии, които се заселват в възли по корените на бобовите растения и имат способността да абсорбират атм. азот и обогатете почвата с него. Те живеят в симбиоза с растенията, като им осигуряват азот и получават въглеродни продукти от ранни ... Селскостопански енциклопедичен речник

нодулни бактерии- (Rhizobium), род аеробни бактерии, които се заселват в възли по корените на бобови растения и имат способността да абсорбират атмосферния азот и да обогатяват почвата с него. Те живеят в симбиоза с растенията, осигурявайки им азот и получавайки от растенията ... ... Селско стопанство. Голям енциклопедичен речник