A csomóbaktériumok asszimilálódni képesek. A csomóbaktériumok szimbiotikus nitrogénmegkötő szervezetek.

A csomóbaktériumok a nitrogénmegkötő mikrobák első csoportja, amelyet az emberiség ismert.

Körülbelül 2000 évvel ezelőtt a gazdák észrevették, hogy a hüvelyesek termesztése visszaadja a termékenységet a kimerült talajnak. A hüvelyeseknek ezt a különleges tulajdonságát empirikusan összefüggésbe hozták azzal, hogy sajátos csomók vagy csomók jelennek meg a gyökereiken, de sokáig nem tudták megmagyarázni ennek a jelenségnek az okait.

Sokkal több kutatást igényelt a hüvelyesek és a gyökereiken élő baktériumok szerepének bizonyítása a légköri nitrogéngáz megkötésében. De fokozatosan a különböző országok tudósainak munkája során feltárták a természetet, és részletesen tanulmányozták e csodálatos lények tulajdonságait.

A gócbaktériumok a hüvelyesekkel szimbiózisban élnek, azaz kölcsönös hasznot hoznak egymásnak: a baktériumok elnyelik a nitrogént a légkörből, és a növények számára hasznosítható vegyületekké alakítják, és széntartalmú anyagokkal látják el a baktériumokat, amelyet a sebek szén-dioxid formájában szívnak fel a levegőből.

A mesterséges tápközegen lévő csomókon kívül 0 és 35°C közötti hőmérsékleten fejlődhetnek göbbaktériumok, a 20-31°C-os nagyságrendű hőmérséklet a legkedvezőbb (optimális) számukra. A mikroorganizmusok legjobb fejlődése általában semleges környezetben (6,5-7,2 pH-értéken) figyelhető meg.

A legtöbb esetben a talaj savas reakciója hátrányosan befolyásolja a gócbaktériumok élettevékenységét, ilyen talajokban inaktív vagy nem hatékony (levegő nitrogént nem rögzítő) fajok képződnek.

A csomóbaktériumok első kutatói azt feltételezték, hogy ezek a mikrobák a legtöbb hüvelyes növény gyökerén megtelepedhetnek. De aztán kiderült, hogy van egy bizonyos sajátosságuk, megvan a saját "ízlésük" és "kibérelik" a jövőbeli "lakást", szigorúan az igényeiknek megfelelően. A csomóbaktériumok egyik vagy másik fajtája csak egy bizonyos faj hüvelyes növényeivel léphet szimbiózisba.

Jelenleg a csomóbaktériumok a következő csoportokba sorolhatók (aszerint, hogy melyik gazdanövényen telepednek meg):

• lucerna és édes lóhere gócbaktériumai;
• lóhere göb baktériumok;
• a borsó, a bükköny, az áll és a takarmánybab gyökérgumó baktériumai;
• szója csomó baktériumok;
• csillagfürt és seradella csomóbaktériumai;
• bab csomó baktériumok;
• földimogyoró, tehénborsó, tehénborsó stb. csomóbaktériumai.

Azt kell mondani, hogy a különböző csoportokban lévő csomóbaktériumok specifitása nem azonos. A válogatós "bérlők" időnként elvesztik lelkiismeretességüket. Míg a lóhere göb baktériumok nagyon szigorú specifitást mutatnak, ez nem mondható el a borsógombóc baktériumokról.

A csomók képződésének képessége nem minden hüvelyesre jellemző, bár általában széles körben elterjedt ennek a hatalmas családnak a képviselői között. A 12 ezer hüvelyesfaj közül 1063-at speciálisan vizsgáltak, ebből 133-ból kiderült, hogy nem volt képes csomót képezni.

Úgy tűnik, hogy a nitrogénmegkötőkkel való szimbiózis képessége nem csak a hüvelyes növényekre jellemző, bár a mezőgazdaságban ők az egyetlen fontos nitrogénmegkötő növény. Megállapítást nyert, hogy a légköri nitrogént a casuarina nemzetségbe tartozó balek, homoktövis, juhászfélék, sugárzó fenyő, lábpont, sündisznó, szubtrópusi növények gyökerén csomókban élő baktériumok kötik meg. Képes megkötni a nitrogént és egyes trópusi cserjék leveleinek csomópontjában élő baktériumokat.

A nitrogénmegkötést az égergyökerek csomóiban élő aktinomicéták, esetleg a perje és egyes hanganövények gyökereiben élő gombák is végzik.

De a mezőgazdaság számára természetesen a hüvelyesek jelentik a legnagyobb gyakorlati érdeklődést. A legtöbb említett nem hüvelyes növénynek nincs mezőgazdasági értéke.

A gyakorlat szempontjából nagyon fontos a kérdés: hogyan élnek meg a gócbaktériumok a talajban, mielőtt megfertőznék a gyökereket?

Kiderült, hogy a rhizobia nagyon hosszú ideig fennmaradhat a talajban "gazdaszervezetek" - hüvelyes növények - hiányában. Vegyünk egy példát. A K. A. Timirjazevről elnevezett Moszkvai Mezőgazdasági Akadémián vannak D. N. Prjanisnyikov által lefektetett területek. Évről évre ugyanazokat a mezőgazdasági növényeket termesztik rajtuk, és állandó parlagot őriznek meg, amelyen közel 50 éve nem termesztenek növényt. Az ugar talajának és az állandó rozstáblának az elemzése azt mutatta, hogy gócbaktériumok jelentős mennyiségben találhatók bennük. Állandó rozs alatt jóval több van belőlük, mint egy párban.

Következésképpen a rhizobia viszonylag jól túlél hüvelyes növények hiányában, és nagyon sokáig várhat, hogy találkozzon velük. De ilyen körülmények között elveszítik figyelemre méltó képességüket a bunker megjavítására. A baktériumok azonban „örömtel” leállítják „szabad életútjukat”, amint egy megfelelő hüvelyes növény kerül útjukba, azonnal behatol a gyökerek közé, és létrehozza göbös házaikat.

A csomóképződés összetett folyamatában három tényező vesz részt: két élő szervezet - baktériumok és növények, amelyek között szoros szimbiotikus kapcsolatok jönnek létre, valamint a környezeti feltételek. Ezen tényezők mindegyike aktív résztvevője a csomóképződési folyamatnak.

A csomóbaktériumok egyik fontos tulajdonsága, hogy képesek úgynevezett stimuláló anyagokat kiválasztani; ezek az anyagok a gyökérszövetek gyors növekedését okozzák.

Másik lényeges tulajdonságuk, hogy bizonyos növények gyökereibe behatolnak és csomóképződést okoznak, más szóval fertőzőképességük, ami, mint már említettük, a göbbaktériumok különböző fajtáinál eltérő.

A hüvelyes növénynek a csomók kialakulásában betöltött szerepét a növények azon képessége határozza meg, hogy olyan anyagokat választanak ki, amelyek serkentik vagy gátolják a baktériumok fejlődését.

A hüvelyes növény gócbaktériumokkal való fertőzésre való érzékenységét nagymértékben befolyásolja a szöveteinek szénhidrát- és nitrogéntartalma. A hüvelyes növény szöveteiben a szénhidrátok bősége serkenti a csomók kialakulását, míg a nitrogéntartalom növekedése éppen ellenkezőleg, gátolja ezt a folyamatot. Így minél nagyobb a C/N arány a növényben, annál jobban fejlődnek a csomók.

Érdekes módon a növény szöveteiben található nitrogén mintegy megzavarja az "idegen" nitrogén bejuttatását.

A harmadik tényező - a külső körülmények (világítás, akkumulátorok stb.) szintén jelentős hatással vannak a csomók kialakulására.

De térjünk vissza bizonyos típusú gócbaktériumok jellemzésére.

A fertőzőképesség vagy a csomóképződés képessége nem mindig jelzi, hogy a csomóbaktériumok milyen aktívan kötik meg a légköri nitrogént. A csomóbaktériumok "teljesítményét" a nitrogénkötésben gyakran nevezik hatékonyságuknak. Minél nagyobb a hatékonyság, annál nagyobb a hatékonysága ezeknek a baktériumoknak, annál értékesebbek a növény, és így általában a mezőgazdaság számára.

A csomóbaktériumok fajtái a talajban találhatók, hatékonyak, hatástalanok és átmenetiek e két csoport között. A hüvelyes növények hatékony gócbaktériumfajtával való fertőzése elősegíti az aktív nitrogénkötést. A nem hatékony verseny göbök képződését okozza, de nitrogénkötés nem történik bennük, ezért hiába pazarolják az építőanyagot, a növény „hiába” eteti „vendégeit”.

Van-e különbség a gócbaktériumok hatékony és hatástalan fajtája között? A mesterséges táptalajokon eddig nem találtak ilyen alakbeli vagy viselkedésbeli különbségeket. A hatékony és nem hatékony fajok által alkotott csomók azonban mutatnak némi különbséget. Például létezik olyan vélemény, hogy a hatékonyság összefügg a baktériumokkal fertőzött gyökérszövetek térfogatával (a hatékony fajokban ez 4-6-szor nagyobb, mint a nem hatékonyakban), valamint e szövetek működésének időtartamával. A hatékony baktériumokkal fertőzött szövetekben mindig megtalálhatók a bakteroidok és a vörös pigment, amely teljesen megegyezik a vér hemoglobinjával. Leghemoglobinnak hívják. A hatástalan csomókban kisebb a fertőzött szövettérfogat, hiányzik belőlük a leghemoglobin, a bakterioidokat nem mindig észlelik, és másképp néznek ki, mint a hatékony csomókban.

Ezeket a morfológiai és biokémiai különbségeket a gócbaktériumok hatékony fajtáinak izolálására használják. Általában a nagy, jól fejlett, rózsaszínű csomókból izolált baktériumok nagyon hatékonyak.

Fentebb már elhangzott, hogy a gócbaktériumok „munkája” és „hatékonysága” számos külső körülménytől függ: a hőmérséklet, a környezet savassága (pH), a világítás, az oxigénellátás, a talaj tápanyagtartalma stb.

A külső körülmények hatása a légköri nitrogénnek a gyökérgumóbaktériumok általi megkötésére több példával is szemléltethető. Tehát a nitrogénkötés hatékonyságában jelentős szerepet játszik a talaj nitrát- és ammóniumsó-tartalma. A hüvelyesek fejlődésének és csomóképződésének kezdeti fázisában ezeknek a sóknak a talajban való kis mennyiségben való jelenléte jótékony hatással van a szimbiotikus közösségre; később pedig ugyanennyi nitrogén (főleg nitrát formája) gátolja a nitrogén megkötését.

Következésképpen minél gazdagabb a talaj a növény számára elérhető nitrogénben, annál gyengébb a nitrogénkötés. A talajban, valamint a növény testében található nitrogén mintegy megakadályozza, hogy új részei vonzzák be a légkörből. Egyéb tápanyagok mellett a molibdénnek is észrevehető hatása van a nitrogénmegkötésre. Ha ezt a nitrogénelemet hozzáadjuk a talajhoz, több halmozódik fel. Ez nyilvánvalóan azzal magyarázható, hogy a molibdén része a légköri nitrogént rögzítő enzimeknek.

Mára megbízhatóan bebizonyosodott, hogy a nem elegendő molibdéntartalmú talajban termesztett hüvelyesek kielégítően fejlődnek, csomókat képeznek, de egyáltalán nem szívják fel a légköri nitrogént. A hatékony nitrogénkötéshez a molibdén optimális mennyisége körülbelül 100 g nátrium-molibdát 1 ha-onként.

A hüvelyesek szerepe a talaj termékenységének javításában

Tehát a hüvelyesek nagyon fontosak a talaj termékenységének javításában. A nitrogén talajban való felhalmozásával megakadályozzák annak tartalékainak kimerülését. A hüvelyesek szerepe különösen nagy azokban az esetekben, amikor zöldtrágyaként használják őket.

De a mezőgazdasággal foglalkozó szakembereket természetesen a mennyiségi oldal is érdekli. Mennyi nitrogén halmozódhat fel a talajban bizonyos hüvelyesek termesztése során? Mennyi nitrogén marad a talajban, ha a termést teljesen eltávolítják a tábláról, vagy ha a hüvelyesek zöldtrágya szagúak?

Ismeretes, hogy a hüvelyesek hatékony gócbaktérium-fajokkal való fertőzése esetén 50-200 kg nitrogént tudnak megkötni egy hektáron (talajtól, éghajlattól, növényfajtától stb. függően).

A híres francia tudósok, Pochon és De Bergac szerint normál terepi körülmények között a hüvelyesek körülbelül a következő mennyiségű nitrogént kötik meg (kg / ha):

Az egynyári és évelő hüvelyes növények gyökérmaradványai különböző tenyésztési körülmények között és különböző talajokon eltérő mennyiségű nitrogént tartalmaznak. A lucerna évente átlagosan körülbelül 100 kg nitrogént hagy hektáronként a talajban. A lóhere és csillagfürt körülbelül 80 kg kötött nitrogént képes tárolni a talajban, az egynyári hüvelyesek hektáronként akár 10-20 kg nitrogént is hagynak a talajban. Figyelembe véve a hüvelyesek által elfoglalt területeket a Szovjetunióban, E. N. Mishustin szovjet mikrobiológus úgy számolta, hogy évente mintegy 3,5 millió tonna nitrogént juttatnak vissza hazánk mezőire. Összehasonlításképpen kiemeljük, hogy egész iparágunk 1961-ben 0,8 millió tonna nitrogénműtrágyát, 1965-ben pedig 2,1 millió tonnát állított elő, így a hüvelyesek által a levegőből a baktériumokkal szimbiózisban kivont nitrogén a nitrogénben vezető helyet foglal el. a mezőgazdaság egyensúlya hazánkban.

A csomóbaktériumok elterjedése a természetben

Szimbiotikus organizmusok lévén a göbbaktériumok elterjednek a talajban, kísérve bizonyos típusú hüvelyeseket. A csomók elpusztulása után a gócbaktériumok sejtjei bejutnak a talajba, és más talajmikroorganizmusokhoz hasonlóan különféle szerves anyagok rovására kezdenek létezni. A gócbaktériumok szinte mindenütt elterjedt elterjedése bizonyítja, hogy nagyfokú alkalmazkodóképességük van a különböző talaj- és éghajlati viszonyokhoz, képesek szimbiotikus és szaprofita életmódot folytatni.

A gócbaktériumok természetben való elterjedésére vonatkozó, jelenleg rendelkezésre álló adatokat sematikusan összefoglalva a következő általánosításokat tehetjük.

A szűz és a művelt talajban általában nagy mennyiségben vannak jelen a vadon élő növényvilágban előforduló, vagy egy adott területen régóta termesztett hüvelyes növényfajták gócbaktériumai. A csomóbaktériumok száma mindig a hüvelyesek rizoszférájában a legmagasabb, más fajok rizoszférájában valamivel kevesebb, a gyökerektől távolabbi talajban pedig kevés.

A talajban hatékony és hatástalan gócbaktériumok egyaránt megtalálhatók. Számos bizonyíték támasztja alá, hogy a gócbaktériumok hosszú távú szaprofita jelenléte, különösen a kedvezőtlen tulajdonságú (savas, szikes) talajokban, a baktériumok aktivitásának csökkenéséhez, sőt elvesztéséhez vezet.

Rizs. 1 - Csomók az éger gyökerén (J. Becking szerint)

A hüvelyes növények különböző fajainak keresztfertőzése a természetben és a mezőgazdasági gyakorlatban gyakran olyan csomók megjelenéséhez vezet a gyökereken, amelyek nem kötik meg aktívan a molekuláris nitrogént. Ez általában attól függ, hogy a talajban hiányoznak a megfelelő típusú csomóbaktériumok.

Ez a jelenség különösen gyakran új hüvelyes növényfajták alkalmazásakor figyelhető meg, amelyek vagy fertőzöttek a Cross-group baktériumok hatástalan fajaival, vagy csomók nélkül fejlődnek ki.

Rizs. 2 - Csomók a tribulus gyökerén (O. Allen szerint)

A csomóbaktériumokat a nitragin ipari előállításához használják, amelyet hüvelyes növények magjainak kezelésére használnak. Először M. S. Voronin fedezte fel őket 1866-ban. Később M. V. Beyerink (1888) tiszta kultúrában izolálta őket, és mikrobiológusok és fiziológusok részletesen tanulmányozták őket. A baktériumok a hüvelyes növények gyökereibe a gyökérszőrön keresztül jutnak be, és behatolnak a gyökér belső szövetébe, a parenchymába, fokozott sejtosztódást és proliferációt okozva. A gyökereken csúnya növedékek képződnek, amelyeket csomóknak vagy csomóknak neveznek. Eleinte a baktériumok felszívják a növény tápanyagait, és némileg gátolják növekedését. Ezután a csomószövet növekedésével szimbiózis jön létre a baktériumok és a magasabb rendű növények között. A baktériumok széntartalmú táplálékot (cukrot) és ásványi anyagokat kapnak a növénytől, cserébe pedig nitrogéntartalmú vegyületekkel látják el.

A gócbaktériumok megtelepednek a talajban, elszaporodnak, és a hüvelyes növények gyökérszőreiben lévő lyukakon keresztül behatolnak a gyökérsejtekbe. A sejtekben fokozott a gócbaktériumok szaporodása és ezzel párhuzamosan a csomóbaktériumokkal fertőzött gyökérsejtek intenzív osztódása.

A hüvelyes baktériumok látják el nitrogénnel a hüvelyes növényt. A növény ezt a megkötött nitrogént hasznosítja, és a gócbaktériumokat ellátja a szükséges széntartalmú szerves anyagokkal. A csomóbaktériumok különféle cukrokat és alkoholokat használhatnak szénforrásként.

A csomóbaktériumok mikroaerofilek (kis mennyiségű oxigénnel fejlődnek a környezetben), azonban az aerob körülményeket részesítik előnyben. A fertőzési fonalból kikerült csomóbaktériumok tovább szaporodnak a gazdaszövetben. A baktériumok nagy része a sejt citoplazmájában szaporodik, és nem a fertőzési fonalban. Legintenzívebben akkor fejlődnek, ha a talajreakció közel semleges. Ezért a hüvelyesek savas talajon történő vetésekor a magvak beoltásával együtt a talaj meszezése szükséges. A meszezés nélküli oltás nagyon csekély hatással van a termésre és a fehérjetartalomra.

A gócbaktériumok kedvező körülmények között akár 200-300 kg/ha nitrogént is képesek felhalmozni egy szezonban.

A tápközegen tiszta tenyészetben lévő fiatal gócbaktériumok általában rúd alakúak (2., 3. ábra), a rudak mérete megközelítőleg 0 5 - 0 9 X 1 2 - 3 0 μm, mozgékony, osztódással szaporodnak

A gócbaktériumok mellett más mikroorganizmusok is élnek a talajban, amelyek képesek a levegő szabad nitrogénjét asszimilálni; nem a növények gyökerén élnek, hanem azok közelében. Az összes többi tápanyagot, amelyre ezeknek a mikrobáknak szüksége van, maguktól szívódnak fel, és nem a növényi levek rovására, ahogy az a csomós növényekben rejlik. Az Azotobacter a talajban élő legfontosabb mikroorganizmus, amely képes asszimilálni a légköri nitrogént. Ezek a baktériumok kedvező páratartalom, jó légáramlás, megfelelő hőmérséklet és talaj savasság mellett élhetnek. Az Azotobacter termikus rezsim és talajnedvesség iránti igénye megközelítőleg megegyezik a kultúrnövényekével, de érzékenyebb a talaj savasságára, mint a legtöbb növény.

A paleontológiai bizonyítékok azt sugallják, hogy az Eucaesalpinioideae csoportba tartozó egyes növények a legősibb hüvelyesek voltak, amelyeknek csomói voltak.

A modern hüvelyes növényekben a Papilionaceae család számos tagjának gyökerén találtak csomókat.

Az olyan családok, mint a Caesalpiniaceae, Mimosaceae, filogenetikailag primitívebb képviselői a legtöbb esetben nem képeznek csomókat.

A hüvelyesek 13 000 faja (550 nemzetség) közül eddig csak körülbelül 1300 fajnál (243 nemzetség) azonosították a csomók jelenlétét. Ez elsősorban a mezőgazdaságban használt növényfajokat tartalmazza (több mint 200).

A csomók kialakulása után a hüvelyesek képesek felvenni a légköri nitrogént. Azonban képesek táplálkozni a nitrogén kötött formáival - ammóniumsókkal és salétromsavval. Csak egy növény, a Hedysarum coronarium, csak molekuláris nitrogént asszimilál. Ezért a természetben csomók nélkül ez a növény nem fordul elő.

A hüvelyes baktériumok nitrogénnel látják el a hüvelyes növényt, amely a levegőből rögzítődik. A növények viszont ellátják a baktériumokat a növekedéshez és fejlődéshez szükséges szénhidrát-anyagcsere-termékekkel és ásványi sókkal.

1866-ban a híres botanikus és talajkutató, M. S. Voronin látta a legkisebb „testeket” a hüvelyes növények gyökereinek csomóiban. Voronin merész feltételezéseket fogalmazott meg erre az időre: a csomók kialakulását a baktériumok aktivitásával, a gyökérszöveti sejtek fokozott osztódását pedig a növénynek a gyökérbe behatoló baktériumokra adott reakciójával hozta összefüggésbe.

20 évvel később Beijerin holland tudós izolálta a baktériumokat a borsó, a bükköny, a csirkefélék, a bab, a szeradella és a nyalóka csomóiból, és megvizsgálta tulajdonságaikat, ellenőrizve a növények megfertőző képességét és csomók kialakulását. Ezeket a mikroorganizmusokat Bacillus radicicolának nevezte el. Mivel a spórákat alkotó baktériumok a Bacillus nemzetségbe tartoznak, és a csomóbaktériumok nem rendelkeznek ezzel a képességgel, A. Prazhmovsky átnevezte őket Bacterium radicicolának. B. Frank javasolta a csomóbaktériumok sikeresebb általános elnevezését - Rhizobium (a görög rhizo - gyökér, bio - élet; élet a gyökereken szóból). Ez a név gyökeret vert, és a mai napig használatos a szakirodalomban.

A csomóbaktériumok fajainak megjelölésére a Rhizobium generikus névhez szokás egy olyan kifejezést hozzáadni, amely megfelel annak a növényfajnak a latin nevének, amelynek csomóiból izolálják, és amelyen csomókat képezhetnek. Például a Rhizobium trifolii - lóhere göb baktérium, Rhizobium lupini - csillagfürt gócbaktérium stb. Azokban az esetekben, amikor a csomóbaktériumok különböző típusú hüvelyes növények gyökerén képesek csomót képezni, azaz úgynevezett keresztfertőzést okoznak, a fajnév mintha kollektív lenne – pontosan ezt a „keresztfertőző” képességet tükrözi. Például, Rhizobium leguminosarum - göb baktériumok borsó (Pisum), lencse (Lens), rangok (Lathyrus).

A csomóbaktériumok morfológiája és élettana. A csomóbaktériumokat a formák elképesztő változatossága jellemzi - polimorfizmus. Sok kutató hívta fel erre a figyelmet, amikor tisztatenyészetben, laboratóriumi körülmények között és talajban vizsgálták a csomóbaktériumokat. A csomóbaktériumok rúd alakúak és oválisak lehetnek. Ezek között a baktériumok között vannak szűrhető formák, L-formák, coccoid immobil és mobil organizmusok is.

A tápközegen tiszta tenyészetben lévő fiatal gócbaktériumok általában rúd alakúak (143. ábra, 2, 3), a rudak mérete megközelítőleg 0,5-0,9 X 1,2-3,0 mikron, mozgékony, osztódással szaporodnak. A lóhere gócbaktériumainak rúd alakú sejtjeiben ligációval történő osztódás figyelhető meg. Az életkor előrehaladtával a rúd alakú sejtek rügyeződhetnek. Gram szerint a sejtek negatívan festődnek, ultrafinom szerkezetük a Gram-negatív baktériumokra jellemző (143. ábra, 4).

Az öregedéssel a gócbaktériumok elveszítik mobilitásukat, és az úgynevezett öves rudak állapotába kerülnek. Ezt a nevet a protoplazma sűrű és laza szakaszainak váltakozása miatt kapták a sejtekben. A sejtek csíkozódása jól kimutatható, ha fénymikroszkóp alatt nézzük, miután a sejteket anilinfestékkel kezeltük. A protoplazma sűrű szakaszai (öv) rosszabbul festődnek, mint a köztük lévő terek. Lumineszcens mikroszkópban a sávok világoszöldek, a köztük lévő terek nem világítanak és sötétnek tűnnek (143. ábra, 1). Az övek a ketrec közepén vagy a végén helyezkedhetnek el. A sejtek zónázottsága az elektrondiffrakciós mintázatokon is látható, ha a készítményt a megtekintés előtt nem kezeljük kontrasztanyaggal (143. ábra, 3). Valószínűleg az életkor előrehaladtával a baktériumsejt megtelik zsíros zárványokkal, amelyek nem érzékelik a színt, és ennek eredményeként a sejt csíkossá válnak. Az "öves rudak" szakasza megelőzi a bakteroidok kialakulásának szakaszát - szabálytalan alakú sejtek: megvastagodott, elágazó, gömb alakú, körte alakú és lombik alakú (144. ábra). A "bakteroidok" kifejezést J. Brunhorst 1885-ben vezette be az irodalomba, alkalmazva a szokatlan alakú képződményekre, amelyek sokkal nagyobbak, mint a rúd alakú baktériumsejtek, amelyek a csomószövetekben találhatók.

,

A bakterioidok több volutin granulátumot tartalmaznak, és magasabb glikogén- és zsírtartalommal rendelkeznek, mint a rúd alakú sejtek. A mesterséges tápközegben növesztett és a csomószövetekben képződött bakteroidok fiziológiailag azonos típusúak. Úgy gondolják, hogy a bakterioidok olyan baktériumok, amelyek nem teljes osztódási folyamattal rendelkeznek. A csomóbaktériumok nem teljes sejtosztódása esetén a bakteroidok dichotóm módon elágazó formái keletkeznek. A baktériumok száma a tenyészet öregedésével nő; megjelenésüket elősegíti a tápközeg kimerülése, az anyagcseretermékek felhalmozódása, az alkaloidok közegbe juttatása.

Régi (két hónapos) csomóbaktériumok tenyészeteiben elektronmikroszkóp segítségével számos sejtben egyértelműen meghatározott gömb alakú képződmények (145. ábra) - arthrospórák - azonosíthatók. Számuk a sejtekben 1 és 5 között változik.

A különböző típusú hüvelyes növények csomóbaktériumai eltérő sebességgel szaporodnak a táptalajokon. A gyorsan növekvő baktériumok közé tartozik a borsó, a lóhere, a lucerna, a takarmánybab, a bükköny, a lencse, a lóhere, a görögszéna, a bab, a csicseriborsó és a madárláb rizobiája; lassan növő - csillagfürt, szójabab, földimogyoró, szeradella, mungbab, tehénborsó, szalonca, tormagombóc baktériumokhoz. A gyorsan növekvő tenyészetek teljesen kialakult telepei a 3. - 4. inkubációs napon, a lassan növekvő tenyészetek telepei - a 7. - 8. napokon szerezhetők be.

A gyorsan növő gócbaktériumokat a flagellák peririchus elrendeződése jellemzi, míg a lassan növekvő baktériumok monotrichálisak (42. táblázat, 1-5).

A csomóbaktériumok sejtjeiben a flagellákon kívül fonalas és gyöngyszerű kinövések képződnek, ha folyékony táptalajon tenyésztik őket (42., 43. táblázat). Hosszúságuk eléri a 8-10 mikront. Általában a sejt felszínén, peritrichiálisan helyezkednek el, sejtenként 4-10 vagy ennél többet tartalmaznak.

,

A gyorsan növő gyökérgumóbaktériumok telepei a sült tej színűek, gyakran áttetszőek, nyálkásak, sima szélűek, mérsékelten domborúak, és végül az agar táptalaj felületén nőnek. A lassan növekvő baktériumok telepei domborúbbak, kicsik, szárazabbak, sűrűbbek, és általában nem nőnek a táptalaj felületén. A csomóbaktériumok által termelt nyálka egy összetett poliszacharid típusú vegyület, amely hexózokat, pentózokat és uronsavakat tartalmaz.

A csomóbaktériumok mikroaerofilek (kis mennyiségű oxigénnel fejlődnek a környezetben), azonban az aerob körülményeket részesítik előnyben.

A gócbaktériumok tápközegben szénforrásként szénhidrátokat és szerves savakat, nitrogénforrásként pedig különféle ásványi és szerves nitrogéntartalmú vegyületeket használnak. Magas nitrogéntartalmú táptalajokon termesztve a gócbaktériumok elveszíthetik a növénybe való behatolási és csomóképző képességüket. Ezért a csomóbaktériumokat általában növényi kivonatokon (bab-, borsóleves) vagy talajkivonatokon tenyésztik. A fejlődéshez szükséges foszfort a csomóbaktériumok ásványi és szerves foszfortartalmú vegyületekből nyerhetik; ásványi vegyületek kalcium, kálium és más ásványi elemek forrásaként szolgálhatnak.

Az idegen szaprofita mikroflóra visszaszorítására a gócbaktériumok csomókból vagy közvetlenül a talajból történő izolálásakor tápközeg ajánlott kristályibolya, tannin vagy antibiotikumok hozzáadásával.

A csomóbaktériumok legtöbb tenyészetének fejlődéséhez optimális hőmérsékletre van szükség 24-26 ° tartományban. 0°-on és 37°C-on a növekedés leáll. Általában a gócbaktériumok tenyészeteit laboratóriumi körülmények között, alacsony hőmérsékleten (2-4 °C) tárolják.

Sokféle gócbaktérium képes B-vitaminokat, valamint növekedési anyagokat, például heteroauxint (-indol-ecetsavat) szintetizálni.

Minden gócbaktérium megközelítőleg egyformán ellenáll a közeg lúgos reakciójának (pH = 8,0), de egyformán érzékeny a savasra.

A csomóbaktériumok specifitása, virulenciája, versenyképessége és aktivitása.

koncepció sajátosság csomóbaktériumok - kollektív. Ez jellemzi a baktériumok azon képességét, hogy csomókat képezzenek a növényekben. Ha általában a csomóbaktériumokról beszélünk, akkor számukra a csomók kialakulása csak a hüvelyes növények csoportjában már önmagában is specifikus - szelektivitással rendelkeznek a hüvelyes növényekre.

Ha azonban az egyes gócbaktériumok tenyészeteit vesszük figyelembe, akkor kiderül, hogy köztük vannak olyanok is, amelyek a hüvelyes növényeknek csak egy bizonyos, hol nagyobb, hol kisebb csoportját képesek megfertőzni, és ebben az értelemben a gócbaktériumok sajátossága. szelektív képesség a gazdanövényhez képest. A csomóbaktériumok specifitása szűk lehet (a lóhere göb baktériumok csak a lóhere egy csoportját fertőzik meg - fajspecifitás, a csillagfürt göb baktériumok pedig akár fajtaspecifitással is jellemezhetők - csak a csillagfürt alkaloid vagy alkaloidmentes fajtáit fertőzik meg). A borsógombóc baktériumok széles specifitással fertőzhetik a borsó-, áll- és babnövényeket, a borsó- és babgumóbaktériumok pedig a borsónövényeket, azaz mindegyikre jellemző a „keresztfertőzés” képessége. A csomóbaktériumok sajátossága alapozza meg osztályozásukat.

A gócbaktériumok sajátossága egy növényhez vagy azok csoportjához való hosszú távú alkalmazkodásuk és e tulajdonság genetikai átvitele eredményeképpen alakult ki. Ebben a tekintetben a csomóbaktériumok eltérő alkalmazkodóképessége is van a keresztfertőzési csoporton belüli növényekhez. Így a lucerna göb baktériumok csomókat képezhetnek az édes lóherében. Ennek ellenére jobban alkalmazkodnak a lucernához, és az édes lóhere baktériumok jobban alkalmazkodnak az édes lóheréhez.

A hüvelyes növények gyökérrendszerének csomóbaktériumokkal való fertőzésének folyamatában nagy jelentősége van virulencia mikroorganizmusok. Ha a baktériumok hatásspektrumát a specifitás határozza meg, akkor a gócbaktériumok virulenciája jellemzi hatásuk aktivitását ezen a spektrumon belül. A virulencia a csomóbaktériumok azon képességére utal, hogy behatolnak a gyökérszövetbe, ott szaporodnak, és csomók képződését idézik elő.

Fontos szerepet játszik nemcsak a növény gyökereibe való behatolás képessége, hanem a behatolás sebessége is.

Egy gócbaktérium törzs virulenciájának meghatározásához meg kell állapítani, hogy képes-e göbképződni. Bármely törzs virulenciájának kritériuma lehet a baktériumok minimális száma, amely a gyökerek más törzsekhez képest erőteljesebb fertőzését biztosítja, amely csomók képződésében csúcsosodik ki.

Talajban, más törzsek jelenlétében, nem mindig a virulensebb törzs fertőzi meg először a növényt. Ebben az esetben figyelembe kell venni versenyképesség, amely természetes körülmények között gyakran elfedi a virulencia tulajdonságát.

Szükséges, hogy a virulens törzsek is versenyképesek legyenek, azaz ne csak a helyi szaprofita mikroflóra képviselőivel, hanem más gócbaktérium-törzsekkel is sikeresen versenyezzenek. Egy törzs versenyképességének mutatója az általa képződött csomók száma a növényi gyökereken lévő csomók teljes számának százalékában.

A csomóbaktériumok fontos tulajdonsága az tevékenység(hatékonyság), vagyis a molekuláris nitrogénnek a hüvelyesekkel szimbiózisban történő asszimilálására és a benne lévő gazdanövény igényeinek kielégítésére való képesség. Attól függően, hogy a gócbaktériumok milyen mértékben járulnak hozzá a hüvelyesek terméshozamának növeléséhez (146. ábra), általában aktív (hatékony), inaktív (nem hatékony) és inaktív (nem hatékony) csoportokra osztják őket.

Az egyik gazdanövényre inaktív baktériumtörzs egy másik hüvelyes növényfajjal szimbiózisban igen hatékony lehet. Ezért egy törzs hatékonyságának jellemzésekor mindig fel kell tüntetni, hogy mely gazdanövényfajokkal kapcsolatban nyilvánul meg a hatása.

A csomóbaktériumok tevékenysége nem állandó tulajdonságuk. A laboratóriumi gyakorlatban gyakran előfordul, hogy a gócbaktériumok tenyészeteiben aktivitásvesztés következik be. Ebben az esetben vagy a teljes tenyészet aktivitása elvész, vagy egyes alacsony aktivitású sejtek jelennek meg. A csomóbaktériumok aktivitásának csökkenése bizonyos antibiotikumok, aminosavak jelenlétében következik be. A csomóbaktériumok aktivitásvesztésének egyik oka a fág hatása lehet. Passzírozással, azaz a baktériumok többszöri átjuttatásával a gazdanövényen (egy adott növényfajhoz való alkalmazkodással) lehetséges hatékony törzseket nyerni a nem hatékony törzsekből.

Az y-sugárzásnak való kitettség lehetővé teszi a megnövelt hatékonyságú törzsek előállítását. Ismertek olyan esetek, amikor egy inaktív törzsből származó lucerna göb baktériumok nagy aktivitású radiomutánsai jelentek meg. A sejt genetikai jellemzőinek változását közvetlenül befolyásoló ionizáló sugárzás alkalmazása minden valószínűség szerint ígéretes technika lehet a nagy aktivitású gócbaktérium törzsek kiválasztásában.

Hüvelyes növény fertőzése gócbaktériumokkal.

A gyökérrendszer gócbaktériumokkal való normális fertőzésének biztosításához elég nagy számú életképes baktériumsejtnek kell lennie a gyökérzónában. A kutatók véleménye a beoltás folyamatának biztosításához szükséges sejtszámról eltérő. Így O. Allen (1966) amerikai tudós szerint a kis magvú növények beoltásához 500-1000 sejt, a nagy magvú növények beoltásához pedig legalább 70 000 sejt szükséges 1 magonként. J. Vincent (1966) ausztrál kutató szerint az oltás időpontjában minden magnak legalább több száz életképes és aktív gócbaktériumi sejtet kell tartalmaznia. Bizonyíték van arra, hogy az egyes sejtek a gyökérszövetbe is behatolhatnak.

A hüvelyes növény gyökérrendszerének fejlődése során a gyökérfelszínen lévő gócbaktériumok szaporodását a gyökérváladék serkenti. A gyökérsapkák és szőrszálak pusztulási termékei is fontos szerepet játszanak a gócbaktériumok megfelelő szubsztráttal való ellátásában.

A hüvelyes növények rizoszférájában a csomóbaktériumok fejlődése élesen stimulálódik, gabonanövényeknél ez a jelenség nem figyelhető meg.

A gyökér felszínén nyálkahártya-réteg (mátrix) található, amely a rizoszférában lévő baktériumok jelenlététől függetlenül képződik. Ez a réteg jól látható, ha fényoptikai mikroszkóppal vizsgáljuk (147. ábra). A gócbaktériumok az oltás után általában erre a rétegre rohannak, és felhalmozódnak benne (148. ábra) a gyökér stimuláló hatásának köszönhetően, amely akár 30 mm-es távolságban is megnyilvánul.

,

Ebben az időszakban, megelőzve a csomóbaktériumok gyökérszövetbe való bejutását, a rizoszférában lévő baktériumok rendkívül mozgékonyak. A korai tanulmányokban, amelyekben fénymikroszkópot használtak a kutatáshoz, a rizoszféra zónában elhelyezkedő csomóbaktériumok a schwermers (gonidia vagy zoospóra) nevet kapták - „rajzás”. Faereus (1957) módszerével megfigyelhető rendkívül gyorsan mozgó schwermer kolóniák kialakulása a gyökércsúcs és a gyökérszőrök régiójában. A Schwermer kolóniák nagyon rövid ideig léteznek - kevesebb mint egy napig.

A behatolási mechanizmusról göb baktériumok a növény gyökerében számos hipotézis létezik. Közülük a legérdekesebbek a következők. Az egyik hipotézis szerzői azt állítják, hogy a csomóbaktériumok az epidermális és a kérgi szövet károsodása révén hatolnak be a gyökérbe (különösen azokon a helyeken, ahol az oldalgyökerek elágaznak). Ezt a hipotézist Brill (1888) tanulmányai alapján állította fel, aki hüvelyes növényekben göbök képződését okozta a gyökerek átszúrásával egy csomóbaktérium-szuszpenzióba mártott tűvel. Különleges esetként egy ilyen megvalósítási út egészen valós. Például a földimogyoróban a csomók túlnyomórészt a gyökérágak hónaljában helyezkednek el, ami arra utal, hogy az oldalgyökerek csírázása során a csomóbaktériumok réseken keresztül behatolnak a gyökérbe.

Érdekes és nem alaptalan hipotézis a csomóbaktériumok behatolása a gyökérszövetbe a gyökérszőrökön keresztül. A legtöbb kutató felismeri a csomóbaktériumok gyökérszőrszálakon való átjutását.

P. Dart és F. Mercer (1965) javaslata nagyon meggyőző, hogy a csomóbaktériumok kis (0,1-0,4 µm) coccoid sejtek formájában hatolnak be a gyökérbe a cellulóz fibrilláris hálózatán (0,3-0,4 µm) keresztül. a gyökérszőrök elsődleges hüvelye. A gyökérfelszínről replika módszerrel készült elektronmikroszkópos fényképek (149. ábra), valamint a hüvelyes növények rizoszférájában a csomóbaktérium-sejtek zsugorodása megerősíti ezt az álláspontot.

Lehetséges, hogy a gócbaktériumok a fiatal gyökércsúcsok epidermális sejtjein keresztül behatolhatnak a gyökérbe. Prazhmovsky (1889) szerint a baktériumok csak a fiatal sejtfalon (a gyökérszőrökön vagy az epidermális sejteken) tudnak behatolni a gyökérbe, és teljesen képtelenek leküzdeni a kéreg kémiailag megváltozott vagy parafa rétegét. Ez megmagyarázhatja, hogy a csomók általában a fő gyökér fiatal szakaszain és a feltörekvő oldalgyökereken alakulnak ki.

Az utóbbi időben az auxin hipotézis nagy népszerűségnek örvend. A hipotézis szerzői úgy vélik, hogy a göbbaktériumok a növényi gyökérváladékban mindig jelen lévő triptofánból származó β-indolecetsav (heteroauxin) szintézisének stimulálása miatt hatolnak be a gyökérbe. 150. ábra).

A β-indolil-ecetsav forrása a növény fertőzése idején nyilvánvalóan nem csak a gyökérrendszeren keresztül triptofánt választó növényekből származik, amit sokféle baktérium, köztük a gyökérgumók is képesek β-indolil-ecetsavvá alakítani. A heteroauxin szintézisében maguk a gócbaktériumok, és esetleg más, a gyökérzónában élő talajmikroorganizmusok is részt vehetnek.

Az auxin hipotézis azonban nem fogadható el feltétel nélkül. A heteroauxin hatása nem specifikus, és a gyökérszőrzet görbületét okozza különböző növényfajokban, nem csak a hüvelyesekben. Ugyanakkor a göbbaktériumok csak hüvelyesekben okozzák a gyökérszőrzet görbületét, miközben meglehetősen jelentős szelektivitást mutatnak. Ha a vizsgált hatást csak a β-indolil-ecetsav határozná meg, akkor nem lenne ilyen specificitás. Ezenkívül a gyökérszőrökben a csomóbaktériumok hatására bekövetkező változások természete némileg eltér, mint a heteroauxin hatására.

Azt is meg kell jegyezni, hogy bizonyos esetekben a hajlatlan gyökérszőrszálak fertőzésnek vannak kitéve. A megfigyelések azt mutatják, hogy lucernában és borsóban a gyökérszőrök 60-70% -a csavarodik és csavarodik, a lóhere pedig körülbelül 50%. Néhány lóherefajnál ez a reakció a fertőzött szőrszálak legfeljebb 1/4-én figyelhető meg. A görbületi reakcióban nyilván nagy jelentősége van a gyökérszőr állapotának. A növekvő gyökérszőrök a legérzékenyebbek a baktériumok által termelt anyagok hatására.

Ismeretes, hogy a csomóbaktériumok a gyökérszőrszálak falának lágyulását okozzák. Azonban nem képeznek sem cellulázt, sem pektinolitikus enzimeket. Ezzel kapcsolatban azt javasolták, hogy a csomóbaktériumok a poliszacharid jellegű nyálka szekréciója miatt hatoljanak be a gyökérbe, ami a növényekben a poligalakturonáz enzim szintézisét okozza. Ez az enzim, amely elpusztítja a pektin anyagokat, hatással van a gyökérszőrszálak héjára, plasztikusabbá és áteresztőbbé téve azt. Kis mennyiségben a poligalakturonáz mindig jelen van a gyökérszőrökben, és nyilvánvalóan a membrán megfelelő komponenseinek részleges feloldódását okozza, és lehetővé teszi a sejt megnyúlását.

Egyes kutatók úgy vélik, hogy a csomóbaktériumok a pektinolitikus enzimeket termelő szatellitbaktériumoknak köszönhetően behatolnak a gyökérbe. Ezt a hipotézist a következő tények alapján állítottuk fel. A gyökérszőrzet mikroszkópos vizsgálatakor sok kutató észrevette egy világos folt jelenlétét, amelynek közelében csomós baktériumok halmozódnak fel. Ez a folt a protopektináz általi szöveti maceráció (pusztulás) kezdetének jele lehet, hasonlóan ahhoz a jelhez, amelyet számos bakteriális betegségben megfigyeltek a növényekben. Ezenkívül azt találták, hogy a gócbaktériumok avirulens kultúrái pektinolitikus enzimeket termelő baktériumok jelenlétében képesek behatolni a gyökérbe.

Meg kell jegyezni egy másik hipotézist is, amely szerint a gócbaktériumok a gyökérszőr felszínén ujjszerű kiemelkedés kialakulása során jutnak be a gyökérbe. A hipotézist megerősítő gyökérszőrmetszet elektrondiffrakciós mintázata (150. ábra, 3.) egy esernyőnyél alakban hajlított gyökérszőrt mutat, melynek hajlatában csomóbaktériumok halmozódnak fel. A csomóbaktériumok olyanok, mintha a gyökérszőr behúzná (lenyelné) (hasonlóan a pinocitózishoz).

Az invaginációs hipotézis lényegében nem választható el az auxin vagy enzimatikus hipotézistől, mivel az intussuscepció akár auxin, akár enzimatikus faktor expozíciója következtében lép fel.

A csomóbaktériumok gyökérszövetbe való bejuttatásának folyamata minden hüvelyes növény esetében azonos, és két fázisból áll. Az első fázisban a gyökérszőrök fertőzése következik be. A második fázisban a csomóképződés folyamata intenzíven megy végbe. A fázisok időtartama a különböző növényfajtákban eltérő: a Trifolium fragiferumban az első fázis 6 napig tart, a Trifolium nigrescensben - 3 napig.

Egyes esetekben nagyon nehéz felismerni a fázisok közötti határokat. A csomóbaktériumok legintenzívebb bejutása a gyökérszőrökbe a növény fejlődésének korai szakaszában történik. A második fázis a csomók tömeges kialakulása során ér véget. Gyakran a csomóbaktériumok behatolása a gyökérszőrökbe még azután is folytatódik, hogy a csomók a gyökereken kialakultak. Ez az úgynevezett többlet- vagy járulékos fertőzés azért következik be, mert a szőrszálak fertőzése sokáig nem szűnik meg. A fertőzés későbbi szakaszában a csomók általában lejjebb helyezkednek el a gyökér mentén.

A gyökérszőrök fejlődésének típusa, szerkezete és sűrűsége nem befolyásolja a csomóbaktériumok bejutásának sebességét. A csomóképződés helye nem mindig kapcsolódik a fertőzött szőrszálak helyéhez.

A gyökérbe behatolva (gyökérszőrzeten, hámsejten, gyökérsérülési helyeken keresztül) a csomóbaktériumok beköltöznek a növény gyökér szöveteibe. Legkönnyebben a baktériumok átjutnak a sejtközi tereken.

Egyetlen sejt vagy baktériumsejtek csoportja is behatolhat a gyökérszövetbe. Ha külön sejtet vezettek be, az egyetlen sejtként tovább tud mozogni a szöveten. Az egysejtű gyökérfertőzés módja a csillagfürt növényekre jellemző.

A legtöbb esetben azonban a behatoló sejt aktívan szaporodva úgynevezett fertőzési szálakat (vagy fertőzészsinórokat) képez, és már ilyen szálak formájában beköltözik a növényi szövetekbe.

A "fertőzőszál" kifejezés a fertőzési folyamat fénymikroszkópos vizsgálata alapján keletkezett. Beijerinck munkásságától kezdve a fertőzési fonalat nyálkás, hifaszerű tömegnek tekintették, amely burjánzó baktériumokat tartalmazott.

Lényegében a fertőzési szál a megszaporodott baktériumok kolóniája. Kezdete az a hely, ahol egyetlen sejt vagy sejtcsoport behatolt. Lehetséges, hogy a gyökér felszínén baktériumkolónia (és következésképpen egy jövőbeli fertőzési szál) kezd kialakulni, mielőtt a baktériumok bejutnak a gyökérbe.

A fertőzött gyökérszőrök száma az egyes növények között jelentősen eltér. Általában a fertőző szálak a deformált, csavart gyökérszőrökben jelennek meg. Vannak azonban arra utaló jelek, hogy hasonló szálak néha az egyenes hajszálakban is megtalálhatók. Gyakrabban egy elágazó szál figyelhető meg a gyökérszőrökben, ritkábban kettő. Egyes esetekben több szál van egy gyökérszőrben, vagy többben közös fertőzési szálak, amelyek egy csomót eredményeznek (151. ábra).

A fertőzött gyökérszőrszálak százalékos aránya a deformált szőrszálak teljes számában megmagyarázhatatlanul alacsony. Általában 0,6 és 3,2 között mozog, esetenként eléri a 8,0-t. A sikeres fertőzések aránya ennél is alacsonyabb, mivel a fertőző szálak között sok (akár 80%-ban) az úgynevezett abortív szál van, amely megszűnt a fejlődésben. A normálisan fejlődő fertőző szálak előrehaladásának sebessége egy növényben 5-8 mikron óránként. Ennél a sebességnél a 100-200 mikron hosszúságú gyökérszőrön áthaladó út egy napon belül áthaladhat a fertőzési szálon.

A csomók morfológiai és anatómiai jellemzői ontogenezisükben.

A képződés módja szerint a hüvelyes növények csomóit két típusra osztják:

1. típus - csomók a periciklussejtek (gyökérréteg) osztódása során fordulnak elő, általában a protoxylem ellen helyezkednek el (az erek kialakulásához először) - a csomóképződés endogén típusa;

2-es típus - a csomók a gyökérkéregből származnak a kórokozónak a kéreg és az endoderma parenchymalis sejtjébe (az elsődleges kéreg belső rétegébe) történő bejuttatása következtében - a csomóképződés exogén típusa.

A természetben az utóbbi típus dominál. A gyökér központi hengerének szövetei csak az endogén és exogén típusú csomók érrendszerének kialakításában vesznek részt.

Annak ellenére, hogy az exo- és endotípusú csomók eredetének természetéről eltérő nézetek, fejlődésük folyamata alapvetően azonos. Azonban sem az egyik, sem a másik típusú csomóképződést semmiképpen sem szabad az oldalgyökerek kialakulásának folyamatával azonosítani, annak ellenére, hogy kialakulásukban van némi hasonlóság. Így a csomók és az oldalgyökerek kialakulása egyidejűleg, sőt, ugyanabban a gyökérzónában történik.

Ugyanakkor az oldalsó gyökerek és csomók fejlődésének számos jellemzője kiemeli a kialakulásuk típusában fennálló mély különbségeket. Az oldalsó gyökerek a periciklusban keletkeznek. A fejlődés első pillanataitól kezdve a főgyökér központi hengeréhez kapcsolódnak, amelyből az oldalgyökerek központi hengerei ágaznak ki, és mindig az elsődleges fa sugarával szemben emelkednek. A csomó kialakulása az oldalgyökérrel ellentétben bárhol lehetséges. A csomószövet képződésének kezdetén nincs érrendszeri kapcsolat a gyökér központi hengerével, később keletkezik. Az erek általában a csomó perifériáján képződnek. A tracheid zónán keresztül kapcsolódnak a gyökérerekhez, és saját endodermával rendelkeznek (152. ábra).

A göbösség és az oldalgyökerek jellegének különbsége különösen jól megfigyelhető a seradellában, mivel ennek a növénynek a fő gyökerének kérgi szövete - az első csomók helye - viszonylag kis sejtrétegből áll, és a csomók nagyon gyorsan láthatóvá válnak. a gyökér baktériumokkal való fertőzése után. Először a gyökéren lapított kiemelkedéseket képeznek, ami lehetővé teszi, hogy megkülönböztessük őket az oldalgyökerek kúpos kiemelkedéseitől. A csomók számos anatómiai jellemzőben különböznek az oldalsó gyökerektől: a központi henger, a gyökérsapkák és az epidermisz hiánya, valamint a csomót borító jelentős kéregréteg jelenléte.

A hüvelyes növények csomóinak kialakulása (153. ábra, 1., 2.) abban az időszakban történik, amikor a gyökérnek még van elsődleges szerkezete. A fertőző szálak végétől 2-3 rétegnyi távolságra elhelyezkedő kérgi sejtek osztódásával kezdődik. A kéreg fertőző szálak által áthatolt rétegei változatlanok maradnak. Ugyanakkor a seradellában a kérgi sejtek osztódása közvetlenül a fertőzött gyökérszőr alatt történik, míg a borsóban a sejtosztódás csak a kéreg utolsó előtti rétegében figyelhető meg.

Az osztódás a radiális szövetszerkezet kialakulásával folytatódik a belső magsejtek felé. Egy bizonyos irány nélkül, véletlenszerűen fordul elő, és ennek eredményeként a csomó merisztémája (nevelési szövetek rendszere) keletkezik, amely apró szemcsés sejtekből áll.

A kéreg osztott sejtjei megváltoznak: a magok lekerekednek és megnövekednek, különösen a magvak. A mitózis után a magok szétszóródnak, és anélkül, hogy felvennék eredeti formájukat, újra osztódni kezdenek.

Másodlagos merisztéma jelenik meg. Hamarosan az endodermában és a periciklusban a kezdődő osztódás jelei jelennek meg, ami a korábbi külső sejtekben főként érintőleges septumokkal jelentkezik. Ez az osztódás végül kiterjed a közös merisztematikus komplexre, melynek kis sejtjei megnyúlnak, a vakuolák eltűnnek, a sejtmag pedig kitölti a sejt nagy részét. Kialakul az úgynevezett primer góc, amelynek plazmájában a gócbaktériumok hiányoznak, mivel ebben a szakaszban még a fertőzési szálakon belül vannak. A primer góc kialakulása közben a fertőzési szálak sokszor elágaznak, és akár a sejtek között - intercellulárisan (154. ábra), akár sejteken keresztül - intracellulárisan - átjuthatnak és baktériumokat juttathatnak be (155. ábra).

,

Az intercelluláris fertőző szálak a bennük lévő csomóbaktériumok aktív szaporodása miatt gyakran furcsa formát kapnak - zsebek (divertikulák) vagy fáklyák formájában alakulnak ki (lásd 154. ábra).

A fertőzési szálak sejtről sejtre történő mozgásának folyamata nem teljesen világos. D. Jordan (1963) kanadai mikrobiológus úgy véli, hogy a fertőző szálak csupasz nyálkahártya szálak formájában vándorolnak a növényi szövetek sejtközi tereiben, amíg néhány máig megmagyarázhatatlan ok miatt be nem kezdenek behatolni a szomszédos sejtek citoplazmájába. .

Egyes esetekben a fertőző szál invaginációja egy, bizonyos esetekben - minden szomszédos sejtben történik. Ezeken az invaginált csőszerű üregeken (diverticulumokon) keresztül folyik a nyálkába zárt fonal tartalma. A fertőző szálak legaktívabb növekedése általában a növényi sejt magjának közelében történik. A fonal behatolása a sejtmag elmozdulásával jár együtt, amely a fertőzés helye felé haladva megnövekszik, alakot változtat és elfajul. Hasonló kép figyelhető meg egy gombás fertőzésnél, amikor a mag gyakran

A hüvelyes növények és a gócbaktériumok közötti szimbiotikus asszociációk kialakulása nagy érdeklődésre tart számot az agronómia számára. Ezek a szimbiózisok biztosítják a növények számára elérhető biológiailag kötött nitrogén nagy részét.

A csomóbaktériumok meglehetősen gyakori gram-negatív mikroorganizmusok, amelyek egy családba egyesülnek az ismert fitopatogén Agrobacterium baktériumokkal. Bár ebben a cikkben a gócbaktériumokat kizárólag a növényekkel való szimbiotikus kapcsolatokban betöltött szerepük szempontjából vizsgáljuk, mindig emlékeznünk kell arra, hogy nagyon jól alkalmazkodnak a hosszú távú túléléshez a talajban még speciális gazdanövények hiányában is. . Hasonlóképpen, ezeknek a baktériumoknak a gazdái, a hüvelyesek, például a szójabab és a lóhere, jól tudnak növekedni szimbiontáik nélkül. Így a hüvelyes növények és a gócbaktériumok szimbiózisa inkább fakultatív, semmint kötelező asszociáció. Általában mindkét szervezet számára előnyös, de fejlődésükhöz nem nélkülözhetetlen. Ennek az egyesületnek minden partnere élheti saját életét, és jól felkészült erre. Ezért arra lehet számítani, hogy a fertőzés és a szimbiózis kialakulása során a gócbaktériumok fejlődése gyorsan megváltozik, azaz olyan alkalmazkodás következik be, amely lehetővé teszi számukra, hogy a talajban lévő összetett élőhelyről egy dinamikus környezetbe kerüljenek a talajon. gyökérfelszínre, majd a sejtek belsejében egy egészen különleges környezetbe. A gazdanövénynek gyorsan kell reagálnia a szimbiotikus baktériumok jelenlétére a gyökérfelszínen, és a gazdaszervezet reakcióinak markánsan el kell térniük a talaj más mikroorganizmusaira adott reakcióitól. Jelentős belső változásoknak kell bekövetkezniük a gazdanövényben, melynek eredményeként képes elfogadni bakteriális partnerét, és áttérni az exogén forrásból származó kötött nitrogén fogyasztásáról a szimbiotikusan képződött NH 3 asszimilációjára. Nyilvánvaló, hogy a fertőzés folyamata és a szimbiotikus kapcsolat kialakulása kölcsönös alkalmazkodások egész sorából áll. Ez a folyamat sok tekintetben hasonlít egy fogékony gazdaszervezet patogén organizmus általi fertőzésére, ugyanakkor ezek meglehetősen eltérőek.

A szójabab Rhizobium japonicum fertőzése nyilvánvalóan a baktérium reakciójával kezdődik a gazdaszervezet gyökerei által kiválasztott jelekre és tápanyagokra. A Rhizobium sejtek nagyon gyorsan tapadnak a gyökérfelszínhez, és a gyökér beoltása után másodperceken vagy perceken belül kimutathatók. A baktériumok megtapadása leggyakrabban poláris. A fertőző folyamat következő szakasza a gyökérszőrszálak csavarodása. Ez utóbbiak csavarodását és deformálódását kifejezetten göbbaktériumok indukálják. A csavarodás az oltás után néhány órával kezdődik, és körülbelül 12 óra múlva válik észrevehetővé.A csomóbaktériumok a legnagyobb görbületi ponton hatolnak be a megcsavarodott gyökérszőrökbe, és csőszerű szerkezetként, úgynevezett fertőzési fonalként kerülnek beléjük. Ezek a filamentumok rizobiális sejteket szállítanak, általában egyetlen láncban, a gyökérszőrzet tövéig (a bazális sejtig). Úgy tűnik, hogy a növekvő fertőzési fonal hegye követi a gazdasejtmag útját. Mielőtt a fertőzés fonal elhagyja a haj bazális sejtjét, a közeli kérgi sejteket stimulálják osztódásra és citoplazmával való feltöltésre. A fertőző szálak áthatolnak a gyökérszőrsejt és a szomszédos kérgisejtek között elhelyezkedő sejtfalon, és elágaznak, sok, folyamatosan osztódó kérgi sejtet befogva. Ezután a gócbaktérium sejtek a fertőzési szálak csúcsaiból szabadulnak fel a gazdasejtek citoplazmájába. Kiszabadulását követően a baktériumokat a gazdasejtek citoplazmatikus membránjai kapszulázzák, így soha nem kerülnek közvetlen kapcsolatba a gazdasejtek citoplazmájával. A csomóbaktériumok és a gazdanövény sejtjei szaporodnak, csomóknak nevezett struktúrákat képezve, amelyek tömegarányban megközelítőleg egyenlő tömegű baktériumokból és növényi szövetekből állnak. A gazda a rizobiát látja el a fotoszintézis termékeivel, a baktériumok pedig a légköri N 2 -t NH 3 -dá alakítják, ellátva a növényeket a rendelkezésre álló nitrogénnel.

Ez egy csodálatos folyamat, amely figyelemre méltó sajátossága, hatásmechanizmusai, fejlesztése és szabályozási kifinomultsága miatt. Őt nézni és tanulmányozni igazi élvezet.

Elkezdtük a con Rhizobium japonicum fertőzés szisztematikus és sokrétű vizsgálatát. Kollégáim ebben a munkában Arvind Bhagwat, Margaret Pierce és T. V. Bhuvaneswari fiziológusok, Gillian Turgeon, Mark Pence és Harry Calvert citológusok, Andrew Mort biokémikus, valamint Yang Lo és Poko Yamamoto mutagenezis-specialisták voltak. A csomóbaktériumok vizsgálata a felismerési mechanizmusok és a gazdaspecifikusság vizsgálatával kezdődött. Legalábbis a mérsékelt égövben élő hüvelyesek többségénél jól körülhatárolható sajátossága van a rhizobia számára. Például a Rhizobium meli-loti csak lucernával képez csomókat, és nem fertőzi a lóherét vagy más hüvelyeseket. Az R. japonicum törzsek csak szójával alkotnak csomókat, lucernával, lóherével stb. nem.

A gazdaspecifitás és a csomóbaktériumok molekuláris alapja

A gazdaspecifikusság és a felismerési mechanizmusok a növénypatológusok kiterjedt kutatási területei évek óta, beleértve azokat is, akik Rhizobium szimbiózisokat tanulmányoznak. 1975-ben Albersheim és Anderson-Prouty olyan elméleti javaslatot terjesztett elő, amely szerint a növény-patogén rendszerekben a felismerési reakció szénhidrátkötő gazdafehérjéket (azaz lektinek) foglal magában, amelyek reakcióba lépnek a mikrobiális sejtfalak felszínén lévő szénhidrátokkal. Szinte egyidejűleg Bolul és Schmidt kísérleti bizonyítékot szolgáltatott arra vonatkozóan, hogy szoros összefüggés van a különböző gócbaktériumok szójababot megfertőző képessége és a növény magjaiban található jelölt lektin megkötő képessége között. A legnagyobb gondossággal teszteltük Bolul és Schmidt kísérleteit, és megerősítettük az összefüggést a csomóképződés és a rhizobia általi lektinkötés között. A tudományos irodalomban azonban megfigyeltek néhány eltérést ettől a mintától:

Brethauer és Paxton, Chen és Phillips, Lo és Strijdom nem számoltak be korrelációról a szójabab lektinkötése és csomóképződése között;

Az R. japonicum egyes törzsei nagyon aktívak voltak a csomózásban, de nem kötötték meg a szójabab lektint;

Számos tenyészetben lévő rhizobia törzsben csak kis számú sejt (1–5%) kötötte meg a szójabab lektint.

A megfigyelések alapján egy fontos mintát állapítottunk meg, nevezetesen, hogy a Rhizobium japonicum sejtek szójabab lektinkötő képessége drámaian megváltozik a tenyészet korával. Ez a megállapítás arra utal, hogy a lektin receptor vegyületek megjelenése vagy eltűnése a Rhizobium sejtek felszínén valamilyen módon szabályozott. Miután megvizsgáltuk a lektinreceptor szintézisének lehetőségét a gazdagyökerekben jelenlévő anyagoktól függően, azt találtuk, hogy az összes vizsgált R. japonicum törzs megköti a szójabab lektint, ha a gazdagyökerek jelenlétében termesztik, míg laboratóriumi táptalajokon számos törzsek nem tartalmaztak lektint kötni képes sejteket. A gyökerek befolyása a lektinreceptorok képződésére lehetővé teszi azokkal a baktériumtörzsekkel végzett kísérleti eredmények inkonzisztenciájának magyarázatát, amelyek csomókat képeztek, de nem kötötték meg a lektint, valamint megérthetjük e folyamatok közötti korreláció hiányát a kísérletekben. más kutatók. Azt azonban továbbra sem tudjuk, hogy a gazdanövény gyökerében lévő anyagok közül melyik felelős a receptorszintézis változásaiért.

1. ábra. A Rhizobium japonicum 110 ARS törzs tenyésztési életkorának hatása a szójabab lektint megkötni képes sejtek számára és a primer gyökereken a csomók képződésére a gyökércsúcs kezdeti helyzetének jele felett (lásd a szöveget) az oltáskor:

1 - sejtek száma / ml; 2 - a lektint megkötő sejtek százaléka; 3 - a jelzés feletti csomók száma a növény szempontjából; 4 - azoknak a növényeknek a százaléka, amelyeknél a csomók a jel felett vannak.

Azt is érdemes megjegyezni, hogy Dazzo és Hubbell hasonló erős korrelációt talált a lektinkötés és a csomóképződés között a lóhere/Rhizobium trifolii szimbiotikus asszociációban.

A lektinkötéssel fennálló összefüggések stabilitása a szója/R, japonicum rendszerben további két kérdést tesz lehetővé:

Vitatható-e, hogy a szójabab gyökér felszínén a megfelelő időben és helyen található megfelelő lektin valóban szerepet játszik a felismerési reakcióban?

Milyen természetű a szójabab lektin receptora a Rhizobium japonicum sejtfelszínén?

Az első kérdésre jelenleg nincs végleges válasz. A legjobb bizonyíték mellette Stacey és munkatársai adatai lehetnek, akik kimutatták, hogy a szójababmag lektinre specifikus jelölt antitesteket a szójabab gyökerei kötik, ellentétben a jelölt, nem specifikus szérum antitestekkel. A jelölt antitestek alacsony kötési sűrűsége magyarázatot adhat a lektin gyökérben más, közvetlenebb biokémiai módszerekkel történő nehéz kimutatására.

A második kérdésnél teljesebb és pontosabb adatokat kaptunk. Meggyőző citológiai és biokémiai kísérletek szerint a szójabab lektin kötődik a Rhizobium japonicum sejteket körülvevő kapszulaanyaghoz. A ferritinnel jelölt szójabab lektin kötődik a bakteriális tokanyaghoz, de nem kötődik a külső sejtmembránhoz. Ez a kapcsolat biokémiailag specifikus, amint azt a cukorhaptén gátlási módszer is mutatja, és mentes a rögzítés során fellépő műtermékek befolyásától, amint azt a kriosebészettel megállapították.

A tokanyagot az R. japonicum két különböző törzséből izoláltuk, és azt találtuk, hogy poliszacharidból áll, amelynek szerkezete a 2. ábrán látható. A kapszuláris poliszacharid (CPS) talán legfontosabb jellemzője a galaktóz oldallánc jelenléte. minden ismétlődő polimer egység. A szójabab lektin kötődését a baktériumsejt felszínéhez különösen erősen gátolja galaktóz vagy N-acetil-galaktózamin hozzáadása, ami azt jelzi, hogy a galaktózszerű struktúrák fontos részét képezik a lektinspecifikus kötőanyagnak. A CPS galaktozil-maradékai néha metilcsoportot tartalmaznak a 4. pozícióban. Hammarström és munkatársai szerint a lektin alvás nem kötődik a 4-O-metil-galaktózhoz. Ezért különösen érdekes volt a CPS-ben szereplő cukrok összetételében bekövetkező változások felfedezése a baktériumtenyészetek korával. A régi tenyészetekben a CPS-ben található galaktozil-maradékok gyakrabban voltak 4-O-metilezettek.

Rizs. 2. ábra. A tokpoliszacharidot/exopoliszacharidot (CPS/EPS) alkotó ismétlődő pentaszacharid egység szerkezete R. japonicum 110/138 törzsekben:

Gl - glükóz; Ma - mannóz; HUK - galakturonsav; Ga - galaktóz; Ac - acetát; Én - metnl.

A nem metilált galaktóz átalakulása metilálttá különösen gyorsan megy végbe abban az időszakban, amikor a baktériumtenyészetek az exponenciális növekedési fázisból az állófázisba kerülnek. Ugyanakkor hirtelen csökken a kapszulázott sejtek és a lektin alvás megkötésére képes baktériumok száma. A CPS-összetételben és a kapszulázottságban bekövetkezett változások felelősek e törzsek lektinkötő képességének hirtelen elvesztéséhez. Amint a későbbiekben bemutatjuk, a stacionárius növekedési fázis elérésekor ezek a törzsek is hirtelen elveszítik fertőzőképességüket. Még nem állapították meg, hogy van-e ok-okozati összefüggés a CPS kémiájában bekövetkezett változások, a lektinkötés és a Rhizobium fertőzőképessége között.

Figyelembe kell venni, hogy az R. japonicum törzsei a gazdaszervezethez kötődő tokpoliszacharidot (CPS) és a gazdaszervezethez nem kötődő exopoliszacharidot (EPS) egyaránt szintetizálnak. Dudman szerint egyes R. japonicum törzsek EPS-t képeznek, amelynek szerkezetét a 3. ábra mutatja. Ez a tenyészet szűrletéből izolált EPS nem tartalmaz galaktózszerű maradékokat, amelyek képesek megkötni a szójabab lektint. Ha ez utóbbi fajspecifikus determinánsként működik a szójababon csomókat képző baktériumok felismerési reakcióiban, akkor ezeknek az R. japonicum törzseknek is legalább kis mennyiségben valamilyen CPS-t vagy EPS-t kell képezniük. galaktóz típusú lektinkötő hellyel. Egyes előzetes adatok szerint két ramnóz típusú EPS-t alkotó csomóbaktérium törzs is képes kis mennyiségű galaktóz tartalmú CPS/EPS szintetizálására (Mort, unpubl. data).

Az R. japonicum sejtek azon képessége, hogy megkötik a lektin alvást, szigorúan attól függ, hogy a baktériumon van-e tokanyag. A csomók kialakulása azonban nem ettől függ. A R. japonicum mutánsai, amelyek egyetlen növekedési fázisban sem képeztek észrevehető kapszulákat mind laboratóriumi táptalajokon, sem gazdagyökerekkel tenyésztve, ennek ellenére meglehetősen könnyen képeztek csomókat a gyökereken. A göbösítő képesség fontos meghatározója a galaktóz tartalmú poliszacharid megfelelő mennyiségű szintézisére való képesség. Lineáris kapcsolat van a különböző rhizobia mutánsok által szintetizált EPS mennyisége és relatív csomóképző képessége között. Egy bizonyos mennyiségű galaktóz tartalmú poliszacharid megjelenésével már nem mindegy, hogy baktériumsejtekhez kötődik, vagy szabad állapotban van.

Rizs. 3. ábra: Az ismétlődő monomer szerkezete a tetraszacharidban, amely a Rhizobium japonicum 61A76 törzs EPS-jének része; a jelölések ugyanazok, mint a 2. ábrán (Rha - raffinóz).

1. ábra: Kapcsolat az EPS-szintézis és a szójabab gyökerén a Rhizobium japonicum különböző mutánsai által okozott csomóképződés között, amelyek nem termelnek normál kapszulát

Az az elképzelés, hogy a gazdalektinek és a Rhizobium sejtfelszíni poliszacharidok a specifitás és felismerés egyedüli meghatározói a szimbionta kölcsönhatásokban, túlságosan leegyszerűsítettnek tekinthető. Ha Dazzo és Stacey et al. úgy vélik, hogy a gazda lektinek felelősek a homológ csomóbaktériumok specifikus kötődéséért a gazdafelülethez, más kutatók hangsúlyozzák a specifikus gazdaválaszok indukálását lektin-poliszacharid kötések kialakításán keresztül. Mégis valószínűbbnek tűnik, hogy ezek a kölcsönhatások csak egy részét képezik a két szimbionta közötti jel-válasz csere komplex sorozatának. E nézőpont szerint az ilyen szekvenciális lánc minden szakasza a maga módján meghatározza a szimbiózis általános biológiai specifitását. A felismerési folyamat egyetlen lépése sem zárható ki csak azért, mert nem az első vagy a legszelektívebb, ugyanakkor nem feltételezhető, hogy az első vagy a legszelektívebb lépés teljesen meghatározza a szimbiotikus kapcsolat specifitását.

A RHIZOBIUM által okozott fertőzések korai folyamatai

Meglepően keveset tudunk a szimbiontáikban lévő csomóbaktériumok által okozott fertőzések kezdetéről vagy korai kifejlődéséről, bár néhány friss munka értékes információkat szolgáltat ezekről a kérdésekről. Amint korábban bemutattuk, a fertőző folyamat első külső megnyilvánulása a baktériumok megtapadása a gazdaszervezet gyökereinek felszínén. A Rhizobium sejtek hajlamosak polárisan tapadni. Dazzo szerint az ilyen kötődést a gazdalektin határozza meg, és a lóhere/R rendszerre, a trifoliira jellemző. Stacy et al. hasonló adatokat közölt a R. japonicum szójabab gyökeréről. Mindazonáltal azt találtuk, hogy mind a R. trifolii, mind a R. japonicum viszonylag hasonló számban és sűrűségben képes polárisan a szójabab gyökeréhez kapcsolódni (Tergen és Bauer, nem publikált). Mindkét faj kötődési jellege gyakorlatilag nem különbözött kísérleteink körülményei között. Függetlenül attól, hogy a kötődés specifikus vagy nem specifikus, esetenként közbenső, el kell ismerni, hogy egyelőre semmit sem tudni sem a kötődést kiváltó sejtes és molekuláris komponensekről, sem ezen komponensek hatásmechanizmusáról.

A fertőző folyamat második megnyilvánulása a gyökérszőrszálak csavarodásának indukálása. Úgy tűnik, hogy ennek a jelenségnek a funkciója a Rhizobium sejtek becsípődése az ívelt gyökérszőr sejtfalának két felülete közötti térben. Mindeddig senki sem tudott azonosítani olyan anyagokat, amelyek a gyökérszőrök csavarodását vagy elágazását idézik elő, és a csavarodás mechanizmusát sem vizsgálták.

A fertőző folyamat harmadik megnyilvánulása a fertőző fonal kialakulása. Callaham legújabb kutatásai nagyon fontos információkkal szolgáltak erről a folyamatról. Három lehetséges modellt javasolt a Rhizobium gazdasejtbe való bejutására:

A gyökérszőr sejtfalának helyi invaginációja;

A haj sejtfalának helyi elpusztítása a gazdaszervezet által indukált enzimek és a fertőzési fonal szintézise segítségével;

A gyökérszőrsejtfal helyi roncsolása Rhizobium enzimek és fertőzési fonal szintézis által.

Callaham tanulmányainak eredményei meggyőzően kimutatták, hogy a lóhere R. trifolii baktériummal való fertőzésének folyamata magában foglalja a gyökérszőrök sejtfalának helyi elpusztulását a befogott baktériumok közelében, ami egy új, azonosítatlan anyagréteg lokális lerakódásával jár együtt, amelyből a fertőzés fonal képződik. Ez a lerakódás nagyon hasonlít a kórokozó gombák fertőző hifái körüli tok (hüvely) kialakulásához. Callaham citológiai vizsgálatai lehetővé tették a gyökérszőr sejtfalának behatolásának hipotézisének kizárását, de nem oldották meg azt a kérdést, hogy kinek az enzimei okozzák a sejtfalak helyi pusztítását - a gazdaszervezet vagy a baktérium enzimei? Egyes üzenetek mindkét lehetőséget támogatják, de nem adnak végleges választ.

A fertőzési folyamat további szakaszaival kapcsolatos számos kérdés szintén nem tisztázott még. Például hogyan juthat be egy fertőzési szál a gazdasejtbe annak turgornyomása ellen? Miért (és hogyan) követi a növekvő fertőzési szál hegye a mag mozgását a gyökérszőrsejtben? Hogyan hatol be a fertőzési szál a szomszédos kérgi sejtekbe? Hogyan serkentik a corticalis sejtek osztódását a fonal áthatolása által okozott fertőző folyamat kialakulása során? Hogyan tudják a gócbaktériumok elkerülni vagy elnyomni a gazdanövény normál védekezését?

Sajnos komoly módszertani nehézségek akadályozzák a fertőzési folyamat korábbi szakaszainak részletes tanulmányozását. Nehézséget okoz, hogy az oltás folyamatában általában körülbelül 100 ezer baktériumsejt és körülbelül 10 ezer gyökérszőr vesz részt, azonban a fertőző folyamat legfeljebb 100 esetben indul be, és csak körülbelül 10 fertőzés végződik a fertőzéssel. csomók kialakulása. Ezért nehéz figyelembe venni a fertőzési folyamat mechanizmusait vagy ismeretlen lépéseit összesen 10 sikeres vagy 100 gyökérszőrfertőzésben 10 000 vagy több sikertelen vagy nem fogékony gazda-Rhizobium interakcióval szemben.

Rizs. 4. A csomóbaktériumok által okozott fertőzési folyamat fázisait bemutató diagram. Az ívelt gyökérszőr két felülete közötti térbe zárt gócbaktériumok elpusztítják a gazdasejt falát (a), új anyagréteg szintézisét idézik elő a gazdasejtfal citoplazmájából (b) és áthatolnak a részben elpusztult gyökéren. szőrsejtfalat az újonnan lerakódott rétegből képződött fertőzési fonalba (c).

A fertőzött sejtek lokalizálása a gazdanövény gyökerein

A felismerési és fertőzési folyamatok biokémiai mechanizmusainak tanulmányozására szolgáló módszertan megkönnyítése érdekében nemrégiben úgy döntöttünk, hogy meghatározzuk, mely gazdagyökérsejtek érzékenyek a fertőzésre. A palántákat műanyag zacskóban nevelték, ami lehetővé tette a fejlődő gyökerek vizuális megfigyelését. Az oltóanyag bejuttatásakor a műanyagon jelöltük a gyökércsúcsok helyzetét (KK) és a gyökérszőr kialakulásának zónáját. Egy héttel az oltás után az egyes csomók helyzetét meghatároztuk, figyelembe véve a nyomokat. Figyelembe véve az epidermális sejtek mozgását a gyökérnövekedés során, kiszámítható azoknak a gyökérsejteknek a helyzete és fejlődési fázisa, amelyek a gócbaktériumokkal történő beoltáskor fertőzésre fogékonyak voltak. A grafikonok (5.5. ábra) jól mutatják, hogy a csomók leggyakrabban a gyökér azon részein alakultak ki, amelyek közvetlenül a gyökérszőrök zónája alatt és a gyors megnyúlás zónája felett helyezkedtek el. A fejlődő gyökérszőrök zónájában viszonylag kevés csomó képződik, az érett szőrszálakkal borított gyökérterületeken pedig egyáltalán nem volt göb az oltáskor. Így a csomóképződés képességét a gyökérfejlődés bizonyos fázisai és a baktériumokra fogékony célsejtek létezésének rövid időtartama korlátozza. Az alvás későbbi beoltásával végzett kísérletek azt mutatták, hogy a csúcs feletti teljes gyökérterület 4-6 óra elteltével észrevehetően veszít fogékonyságából.A többi hüvelyes fajnál a csomóképző képesség is rövid életű, és a fejlődés bizonyos fázisaira korlátozódik.

Ezek az adatok elméleti és gyakorlati szempontból kétségtelenül érdekesek. Például a csak néhány gócbaktérium sejtet tartalmazó oltószuszpenzió nanoliteres cseppjeit közvetlenül a gyökér legnagyobb fogékonyságának helyére lehet juttatni, és a Rhizobium kifejlődése pontosan az oltás helyén történik meg. Ez a módszer lehetővé tette számunkra, hogy az elektronmikroszkóp segítségével tanulmányozzuk azokat a legkorábbi folyamatokat, amelyek még a fertőzési fonal kialakulása, a gyökérszőrszálak kicsavarodása vagy a fertőzés kezdetére utaló egyéb fénymikroszkóp alatt látható jelzők előtt fordulnak elő. Ilyen vizsgálatok elvégzése csak akkor lehetséges, ha kellő bizonyossággal rendelkezik arról, hogy az ultravékony metszet készítéséhez vett gyökérszőrszálak alkalmasak erre a célra, és gócbaktériumokkal fertőzöttek lesznek.

Rizs. 5. A göbösödés gyakorisága a 110 R. japonicum törzzsel beoltott szójabab gyökereinek különböző zónáiban. A növényeket műanyag zacskókban neveltük, amelyek felületén a gyökérsapka (RT) helyzetét és a gyökérszőrzet legkevésbé fejlettségi helyét (SERH) feltüntető jelöléseket tettek. Körülbelül 120 növény gyökerét vizsgáltuk meg egy héttel az oltás után, meghatározva a primer gyökéren kialakult csomók és az RT közötti relatív (%) távolságot. Annak érdekében, hogy könnyebben meghatározzuk a nem fertőzött corium sejtek relatív helyzetét az oltás során, kiszámítottuk az epidermális sejtek mozgását az RT-hez képest.

Anyagok, amelyek befolyásolják a kezdeti fertőzési folyamatok intenzitását

Hasonlóan érdekes szempont a hüvelyes növények gócbaktériumokkal szembeni fogékonyságának fejlődési ütemének vizsgálatában, hogy ma már lehetőség nyílik a fertőzés sikeres beindulását befolyásoló tényezők vizsgálatára. A gyökércsúcs (RT) felett kialakuló csomók száma a műanyagon készült jelölés felett kiváló mennyiségi paraméter a fertőzés kialakulásához. Például Bhagwat (személyes kommunikáció) nemrégiben azt találta, hogy a tehénborsó gyökerein a rhizobia által okozott göbösödés közvetlenül a címke alatt következik be, ha a baktériumokat a táptalajon tenyésztették a gazdagyökerekkel együtt az oltás előtt. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a Rhizobium alkalmazkodhat vagy valamilyen módon reagálhat a gazdagyökérből felszabaduló anyagokra, mielőtt azok képesek lennének fertőzni.

A szójában ennek az ellenkezője figyelhető meg. A szójabab gyökéren az RT jelzés feletti csomók kialakulása kevéssé függ a R. japonicum előzetes tenyésztésétől a gazdaszervezet gyökérváladékában. A göbösödés azonban maximális gyakorisággal fordul elő a gyökérszőrök fejlődési zónája alatt, bár még citológiai vizsgálatok is kimutatták, hogy a csomók kialakulásához vezető fertőzés rövid, éppen kifejlődni kezdődő gyökérszőrökön keresztül történik. A maximális csomóképződés várható és tényleges zónájának elhelyezkedése közötti különbségek arra a következtetésre vezettek, hogy a gyökérsejtek baktériumokkal való első interakciója és a sikeres fertőzési folyamat kezdete között bizonyos késleltetési idő telik el. bennük. Nyilvánvalóan ez a késleltetési időszak lerövidíthető, ha a gyökereket előkezeljük a csomóbaktériumok sejtes poliszacharidjával. Az N-acetil-galaktóz, az alvási lektin lehetséges poliszacharid-hapténje szintén hatékony ebben a tekintetben. Az ilyen kísérleteket nehéz pontosan reprodukálni, de megtaláltuk a módot a változó változók többségének szabályozására.

Relatív távolság a csomók és a gyökércsúcson lévő jel között (RT)

6. ábra. A tehénborsó váladék hatása a gócbaktériumok fejlődésére:

1 baktérium a gyökérváladékokon; 2 - baktériumok szintetikus táptalajon.

Rizs. 7. ábra. A Rhizobium tri-folii sejtmentes szűrletének hatása a lóhere érett gyökérszőrzet zónájában lévő csomók képződésére. A lóhere gyökereit 100 μl vízzel (4) vagy tenyészet szűrletével 6, 14 és 24 órán keresztül (a grafikonon 1, 2, 3) előkezeltük az oltóanyag behelyezése előtt. A csomók száma. Az oltáskor érett gyökérszőrökkel rendelkező gyökerek zónájában kialakult zónában egy héten keresztül naponta meghatároztuk.

Hasonló jelenséget figyeltek meg a lóhere gyökereiben. Ha az R. trifolii tenyészetet mossuk, egy órán át desztillált vízben szuszpendáljuk, majd szűrjük, a sejtmentes szűrlet jelentősen lecsökkenti a göbösödéshez szükséges időt az érett gyökérszőrök zónájában, amikor a gyökereket ezzel a szűrlettel kezeljük beoltás előtt. . Érdekes megjegyezni, hogy a lóhere gyökereinek azonos kezelése nem befolyásolta észrevehetően a csomóképződés idejét a gyökérszőrzet nélküli zónában.

A szűrlet csak az érett gyökérszőrök zónájában fejti ki göbösödését, láthatóan befolyásolja a fertőzés második típusát, amely a lóherére jellemző, de szójában, tehénborsóban vagy lucernában nem figyelhető meg.

Az R. trifolii szuszpenziós szűrleteiben vagy a tehénborsó gyökérváladékában jelen lévő hatóanyagokat még nem azonosították. Mindazonáltal hatásuk felfedezése megerősíti azt az álláspontot, hogy a csomóbaktériumok és gazdáik kölcsönös felismerése a jel-válasz típusú szimbionták közötti reakciók komplexuma.

A RHIZOBIUM sejtek fertőző képessége

A hüvelyesek gyökereinek csak bizonyos sejtjei érzékenyek a rhizobia fertőzésre, és az érzékenység a növény fejlődésének időpontjától és fázisától függ. Mit mondhatunk a csomóbaktériumokról? A Rhizobium fertőzőképessége függ az időtől, a fejlődési fázistól vagy a környezettől? A tehénborsó gyökérváladékának a rhizobia által okozott göbösödésre gyakorolt ​​hatása arra utal, hogy legalább néhány baktériumfajnak bizonyos változásokon kell keresztülmennie, mielőtt fertőzést okozhatna. Természetesen a Rhizobium sejtek még ugyanabban a tenyészetben is sok tekintetben eltérhetnek egymástól. Például eltérő kapszulázási képességekkel, mozgékonysággal, sejtciklus-fázisokkal és poláris testeik számával rendelkezhetnek. Lehetséges, hogy a fertőzőképesség ezen sajátosságok közül egy vagy több függvénye. A fenti adatokból az következik, hogy az EPS szintézisével ellentétben úgy tűnik, hogy a kapszulázódás önmagában nem kapcsolódik fertőzőképességhez. A legújabb tanulmányok szerint a csomóbaktériumok fertőzőképessége nem függ mobilitásuktól.

A laboratóriumunkban végzett munka lehetővé tette annak megállapítását, hogy a R. japonicum fertőzőképessége nagymértékben függ a tenyészet életkorától. Az R. japonicum 110-es és 138-as törzseinek tenyészetei, miután elérték a stacionárius növekedési fázist, gyorsan elvesztették azt a képességüket, hogy az RT jel felett göbölést okozzanak. Nyilvánvaló, hogy ebben a fázisban a baktériumok kevésbé készek vagy képesek fertőző folyamatot előidézni az oltás során, mint az exponenciális fázisban lévő sejtek. Ennek az exponenciális fázis vége felé bekövetkezett változásnak az alapja nem ismert. Az oltóanyag dózisának a csomóképződés folyamatára gyakorolt ​​hatásának vizsgálata kimutatta, hogy a 110 R. japonicum törzs stacioner növekedésének korai vagy késői fázisában lévő tenyészetei ugyanolyan gyorsan és intenzíven képesek göbösödést kiváltani, mint az exponenciális növekedési fázisban lévő tenyészetek. , azonban a növények beoltásához több régi kultúrák oltására van szükség.

Ezért az exponenciális vagy stacioner növekedési fázisban lévő baktériumtenyészetek közötti fertőzőképességbeli különbségek mennyiségi, nem pedig minőségi. Úgy tűnik, hogy az állófázisú tenyészetek arányosan kevesebb olyan sejtet tartalmaznak, amelyek képesek gyorsan fertőzést indukálni.

A szimbiotikus asszociációk kialakulásának egy másik aspektusa is figyelmet érdemel. A göbösödés gyakoriságát ábrázoló grafikonok e folyamat intenzitásának gyengülését mutatják a gyökerek alsó részein, amelyek az oltás időpontjában 5-10 órával fiatalabbak voltak, mint a maximális csomóképződési aktivitású területek. Nyilvánvaló, hogy a szójabab növényeknek van egy gyorsan ható szabályozó mechanizmusa, amely arra szolgál, hogy megakadályozza a túlzott számú csomó kialakulását a gyökereken. A második lehetséges magyarázat az, hogy a gyökér alsó részein lévő csomók számának csökkenése összefüggésbe hozható a baktériumok számának csökkenésével ezekben a részekben. Ha azonban ugyanazokat a gyökereket 10-12 órával a baktériumok első kijuttatása után újra beoltottuk, a csomóképződésben nem történt változás, azaz nem volt szükség a baktériumok számának növelésére. Ugyanakkor, ha az elsődleges oltóanyagot csak a gyökér szőrtelenül felső részére, illetve a fiatal, fejlődő szőrszálak zónájára alkalmaztuk, ahol a gyökér megnyúlása teljesen vagy nagyrészt befejeződött, akkor a másodlagos oltás új szőrszálak képződését okozta. csomók. Ez a kísérlet azt mutatja, hogy a gyorsan ható szabályozó mechanizmus a növényi alvásban bizonyos típusú kölcsönhatást foglal magában a Rhizobium és azon gazdasejtek között, amelyek a gyökér gyors megnyúlásának zónájában helyezkednek el a csúcs közelében.

A gyorsan ható szabályozó mechanizmus jelenléte a szójababban, esetleg a tehénborsóban és a lucernában további összetettségi és szervezettségi réteget hoz létre a fejlődési fázisok és a környezet dinamikus befolyásában a rhizobia fertőzések korai fejlődésére és sikerére.

Felhasznált irodalom: Növények fertőző betegségei: élettani és biokémiai alapok / Per. angolról. L. L. Velikanova, L. M. Levkina,
V. P. Prohorov, I. I. Sidorova; Szerk. és előszóval.
Yu. T. Dyakova. - M.: VO Agropromizdat, 1985. - 367 p.

Kivonat letöltése: Nincs hozzáférése a fájlok letöltéséhez a szerverünkről.

Nagy mennyiségben ($72\%$), de semleges (abszolút hozzáférhetetlen a növények számára, hogy asszimilálódjanak).

$10\%$ a hüvelyesek családjába tartozó növények szimbiózisba lépnek a baktériumokkal (a nyírfafélék családjának égercsaládjának gyökerein is találtak baktériumokat).

A csomóbaktériumok a Rhizodium nemzetségbe tartoznak. Fő tulajdonságuk, hogy képesek molekuláris nitrogént kötni a légköri levegőből, és szerves nitrogéntartalmú vegyületeket szintetizálni. Ezek a baktériumok a hüvelyesekkel szimbiózisba lépve képesek csomókat képezni a gyökereiken. A gáznemű nitrogént olyan vegyületekké alakítják, amelyek könnyen hozzáférhetők a növények számára, és a virágzó növények tápanyagot biztosítanak a baktériumok számára. Ezenkívül az ilyen típusú baktériumok fontos szerepet játszanak a talaj nitrogénnel való dúsításában.

A csomóbaktériumok mérete 0,3-3 dollár mikron. Lekerekített alakúak, nyálkás állagúak, átlátszóak. Más baktériumokkal ellentétben nem képeznek spórákat, képesek mozogni, és oxigénre van szükségük a normális működéshez.

A növény gyökérszőrébe behatolva a baktériumok serkentik a gyökérsejtek intenzív osztódását, aminek következtében csomó képződik. Maguk a baktériumok fejlődnek ezekben a csomókban, és részt vesznek a nitrogén asszimiláció folyamatában. Ott átalakulnak, elágazó formát szerezve - egy bakterioidot, amely elnyeli a molekuláris nitrogént, nitrátokat, aminosavakat és ammóniumsókat. A mono- és diszacharidok, szerves savak és alkoholok szénforrásként szolgálnak a csomóbaktériumok számára.

A növények létfontosságú szerves tápanyagokkal is ellátják a baktériumokat. A szimbiózisnak ez a formája pozitív hatással van mindkét szervezetre - a szimbiontra:

• a baktériumok lehetőséget kapnak arra, hogy normálisan menjenek keresztül fejlődési ciklusukon;
• a növény normálisan fejlődik, elegendő mennyiségben megkapja a legszükségesebb ásványi tápanyagot - nitrogént.

Megjegyzés 1

Az ilyen növényi táplálkozási forrást biológiainak, a hüvelyeseket pedig a talajt gazdagító kultúrának nevezik (K.A. Timiryazev szerint).

A legtöbb növénytől eltérően a hüvelyesek nemcsak nem szegényítik el a talajt, hanem nitrogénvegyületekkel is gazdagítják. A dúsulás a hüvelyes növények (csillagfürt, borsó, szójabab, lóhere, lucerna, bükköny, lóhere) termesztése, valamint gyökereik és leveleik további bomlása során következik be.

Miután a hüvelyesek gyökerei elpusztulnak, a gócbaktériumok nem pusztulnak el, hanem szaprofita életmódot folytatnak.

A gócbaktériumok 1 dollár hektár hüvelyes növényenként akár 300 $ kg nitrogént is képesek felvenni a légköri levegőből, miközben több mint 50 $ kg nitrogéntartalmú vegyület marad még a talajban.

2. megjegyzés

A baktériumok különböző formái specifikusan hajlamosak a hüvelyesek bizonyos képviselőinek kifejlődésére a gyökereken: Rhizodium Leguminosarum - borsóban, takarmánybabban, bükkönyben; Rh. Meliloti - édes lóherében, lucernában; Rh. Japonicum - szójában; Rh. Trifolium - lóherében.

A baktériumok és hüvelyesek szimbiózisának jelentősége és kilátásai

Ez a fajta szimbiózis nagyon fontos a természetben, és különösen a növények termesztése során, mert növeli a tápértéket és a termőképességet, ugyanakkor a talaj megújulását, termékenységének növekedését.

A hüvelyesek a modern alternatív gazdálkodás alapját képezik - műtrágya nélkül vagy kis adagokban történő bejuttatással.

K.A. Timirjazev megjegyezte, hogy a hüvelyesek mindenhová behatoltak, ahová a helyes mezőgazdasági koncepciók eljutnak. De aligha van a történelemben olyan felfedezés, amely annyira hasznos lenne az emberiség számára, mint a lóhere és általában a hüvelyesek vetésforgóban való felhasználása a mezőgazdasági termelékenység ilyen drámai növelése érdekében.

Hüvelyes növényeket ma már világszerte termesztenek. Jelentőségük nagy és az is marad, sőt még növekedni fog, hiszen ökológiai és gazdasági (gyakorlatilag ingyenes) nitrogénforrást jelentenek.

A $XXI$ században az ásványi műtrágyák (köztük a legfontosabbak a nitrogén) előállítási technológiáinak fejlettsége mellett a világ mezőgazdaságában felhasznált nitrogén kétharmada biológiai forrásból származik, elsősorban a hüvelyesek miatt. növények és szimbiontáik - csomós nitrogénmegkötő baktériumok . A csomókban játszódik le a szimbiózis legfontosabb biokémiai reakciója: a levegőben lévő molekuláris nitrogén nitráttá, majd ammóniummá alakul.

A szimbionta baktériumok növényekkel való kapcsolatát vizsgáló modern tanulmányok eredményeit felhasználva a mikrobiológusok egy fontos jövőbeli feladatot javasoltak - olyan közösségek létrehozásának módjait, amelyek a növények biológiai nitrogénnel való ásványi táplálkozását javítják. Ez a szimbiózis különböző kölcsönhatású rendszer, amelyek többsége az élőlények genetikai plaszticitásának növekedésével jár együtt, ami akár alapvetően új életformák megjelenéséhez is vezethet. A szimbiózis ilyen lehetőséget biztosít a természet számára, és ez lényeges része a szimbiózis új, modern tanának.

3. megjegyzés

A gócbaktériumok számának és ennek megfelelően a hüvelyesek termésének növelése érdekében vetéskor speciális bakteriális szert, a nitragint adják a talajhoz (a magvakat mesterségesen fertőzik meg gócbaktériumokkal.