Клубеньковые бактерии способны усваивать. Клубеньковые бактерии – симбиотические организмы, фиксирующие азот

Клубеньковые бактерии были первой по времени группой азотфиксирующих микробов, о которых узнало человечество.

Около 2000 лет назад земледельцы заметили, что возделывание бобовых культур возвращает плодородие истощенной почве. Это особое свойство бобовых эмпирически связывали с наличием на корнях у них своеобразных узелков, или клубеньков, но объяснить причины этого явления долгое время не могли.

Потребовалось провести еще очень много исследований, чтобы доказать роль бобовых культур и живущих на их корнях бактерий в фиксации газообразного азота атмосферы. Но постепенно работами ученых разных стран была раскрыта природа и детально изучены свойства этих замечательных существ.

Клубеньковые бактерии живут с бобовыми растениями в симбиозе, т. е. приносят друг другу взаимную пользу: бактерии усваивают азот из атмосферы и переводят его в соединения, которые могут быть использованы растениями, а они, в свою очередь, снабжают бактерии веществами, содержащими углерод, который ранения усваивают из воздуха в виде углекислого газа.

Вне клубеньков на искусственных питательных средах клубеньковые бактерии могут развиваться при температурах от 0 до 35°, а наиболее благоприятными (оптимальными) для них являются температуры порядка 20-31°. Наилучшее развитие микроорганизмов наблюдается обычно в нейтральной среде (при pH равном 6,5-7,2).

В большинстве случаев кислая реакция почвы отрицательно сказывается на жизнедеятельности клубеньковых бактерий, в таких почвах образуются неактивные или неэффективные (не фиксирующие азот воздуха) их расы.

Первые исследователи клубеньковых бактерий предполагали, что эти микробы могут поселяться на корнях у большинства видов бобовых культур. Но затем было установлено, что они обладают определенной специфичностью, имеют свои «вкусы» и «снимают» будущее «жилье» в строгом соответствии со своими потребностями. Та или иная раса клубеньковых бактерий может вступать в симбиоз с бобовыми растениями только определенного вида.

В настоящее время клубеньковые бактерии подразделяют на следующие группы (по растениям-хозяевам, на которых они поселяются):

• клубеньковые бактерии люцерны и донника;
• клубеньковые бактерии клевера;
• клубеньковые бактерии гороха, вики, чины и кормовых бобов;
• клубеньковые бактерии сои;
• клубеньковые бактерии люпина и сераделлы;
• клубеньковые бактерии фасоли;
• клубеньковые бактерии арахиса, вигны, коровьего гороха и др.

Надо сказать, что специфичность клубеньковых бактерий в различных группах бывает неодинаковой. Разборчивые «квартиросъемщики» иногда теряют свою щепетильность. Если клубеньковые бактерии клевера отличаются очень строгой специфичностью, то о клубеньковых бактериях гороха этого сказать нельзя.

Способность к образованию клубеньков свойственна далеко не всем бобовым, хотя в общем широко распространена у представителей этого огромного семейства. Из 12 тыс. видов бобовых было специально изучено 1063. Оказалось, что 133 из них не способны образовывать клубеньки.

Способность к симбиозу с азотфиксаторами, по-видимому, свойственна не только бобовым растениям, хотя в сельском хозяйстве они являются единственными важными азотфиксирующими культурами. Как установлено, атмосферный азот связывают бактерии, живущие в клубеньках на корнях лоха, облепихи, шефердии, сосны лучистой, ногоплодника, ежи сборной, субтропических растений рода казуарина. Способны к фиксации азота и бактерии, живущие в узлах листьев некоторых тропических кустарников.

Фиксацию азота осуществляют также актиномицеты, живущие в клубеньках корней ольхи, и, возможно, грибы, живущие в корнях райграса и некоторых вересковых растений.

Но для сельского хозяйства наибольший практический интерес представляют, конечно, бобовые. Большинство отмеченных небобовых растений сельскохозяйственного значения не имеет.

Очень важен для практики вопрос: как живут клубеньковые бактерии в почве до заражения ими корней?

Оказывается, клубеньковые бактерии могут очень долго сохраняться в почве при отсутствии «хозяев» - бобовых растений. Приведем такой пример. В Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева имеются поля, заложенные еще Д. Н. Прянишниковым. На них из года в гол возделываются одни и те же сельскохозяйственные культуры и сохраняется бессменный пар, на котором в течение почти 50 лет не выращивались никакие растения. Анализ почв этого пара и поля бессменной ржи показал, что в них в значительных количествах обнаруживаются клубеньковые бактерии. Под бессменной рожью их несколько больше, чем в пару.

Следовательно, клубеньковые бактерии сравнительно благополучно переживают отсутствие бобовых растений и могут очень долго ожидать встречи с ними. Но в этих условиях они теряют свое замечательное свойство фиксировать дзот. Однако бактерии с «удовольствием» прекращают «свободный образ жизни», как только на их пути попадается подходящее бобовое растение, они тотчас же проникают в корни и создают свои домики-клубеньки.

В сложном процессе образования клубеньков принимают участие три фактора: два живых организма - бактерии и растения, между которыми устанавливаются тесные симбиотические взаимоотношения, и условия внешней среды. Каждый из этих факторов - активный участник процесса образования клубеньков.

Одна из важных особенностей клубеньковых бактерий состоит в их способности выделять так называемые стимулирующие вещества; эти вещества вызывают бурное разрастание тканей корня.

Другая их существенная особенность способность проникать в корни определенных растений и вызывать образование клубеньков, иначе говоря их инфекционная способность, которая, как уже говорилось, различна у разных рас клубеньковых бактерий.

Роль бобового растения в образовании клубеньков определяется способностью растений выделять вещества, стимулирующие или угнетающие развитие бактерий.

Большое влияние на восприимчивость бобового растения к заражению клубеньковыми бактериями оказывает содержание в его тканях углеводов и азотистых веществ. Обилие углеводов в тканях бобового растения стимулирует образование клубеньков, а повышение содержания азота, напротив, угнетает этот процесс. Таким образом, чем выше в растении соотношение C/N, тем лучше идет развитие клубеньков.

Интересно, что азот, содержащийся в тканях растения, как бы мешает внедрению азота-«пришельца».

Третий фактор - внешние условия (освещение, элементы питания и т. д.) также оказывает значительное влияние на процесс образования клубеньков.

Но возвратимся к характеристике отдельных видов клубеньковых бактерий.

Инфекционная способность, или способность к образованию клубеньков, не всегда еще говорит о том, насколько активно клубеньковые бактерии фиксируют азот атмосферы. «Работоспособность» клубеньковых бактерий в связывании азота называют чаще их эффективностью. Чем выше эффективность, тем больше коэффициент полезного действия этик бактерий, тем более ценны они для растения, а значит и для сельского хозяйства вообще.

В почве обнаруживаются расы клубеньковых бактерий эффективные, неэффективные и переходные между этими двумя группами. Заражение бобовых растений эффективной расой клубеньковых бактерий способствует активной фиксации азота. Неэффективная раса вызывает образование клубеньков, но азотфиксации в них не происходит, следовательно, напрасно расходуется строительный материал, растение «даром» кормит Своих «постояльцев».

Имеются ли различия между эффективными и неэффективными расами клубеньковых бактерий? До сих пор таких отличий в форме или в поведении на искусственных питательных средах не удалось найти. Но у клубеньков, образованных эффективными и неэффективными расами, обнаруживаются некоторые отличия. Существует, например, мнение, что эффективность связана с объемом зараженных бактериями тканей корня (у эффективных рас она в 4-6 раз больше, чем у неэффективных) и длительностью функционирования этих тканей. В инфицированных эффективными бактериями тканях всегда обнаруживаются бактероиды и красный пигмент, вполне тождественный гемоглобину крови. Его называют леггемоглобнном. Неэффективные клубеньки имеют меньший объем инфицированной ткани, в них отсутствует леггемоглобин, бактероиды обнаруживаются не всегда и выглядят они иначе, чем в эффективных клубеньках.

Эти морфолого-биохимические отличия используют для выделения эффективных рас клубеньковых бактерий. Обычно бактерии, выделенные из крупных, хорошо развитых клубеньков, имеющих розоватую окраску, бывают весьма эффективными.

Выше уже говорилось, что «работа» клубеньковых бактерий и ее «коэффициент полезного действия» зависит от ряда внешних условий: температуры, кислотности среды (pH), освещения, снабжения кислородом, содержания в почве питательных элементов и т. д.

Влияние внешних условий на фиксацию клубеньковыми бактериями атмосферного азота можно показать на нескольких примерах. Так, значительную роль в эффективности азотфиксации играет содержание в почве азотнокислых и аммиачных солей. В начальных фазах развития бобового растения и образования клубеньков присутствие в почве небольших количеств этих солей оказывает благоприятное влияние на симбиотическое сообщество; а позже это же количество азота (особенно нитратной его формы) угнетает азотфиксацию.

Следовательно, чем богаче почва доступным для растения азотом, тем слабее протекает фиксация азота. Азот, содержащийся в почве, так же как и находящийся в теле растения, как бы препятствует привлечению новых его порций из атмосферы. Среди других элементов питания заметное влияние на азотфиксацию оказывает молибден. При добавлении в почву этого элемента азота накапливается больше. Объясняется это, по-видимому, тем, что молибден входит в состав ферментов, осуществляющих фиксацию атмосферного азота.

В настоящее время достоверно установлено, что бобовые, выращиваемые в почвах, содержащих недостаточное количество молибдена, развиваются удовлетворительно и образуют клубеньки, но совершенно не усваивают атмосферный азот. Оптимальное количество молибдена для эффективной азотфиксации составляет около 100 г молибдата натрия на 1 га.

Роль бобовых культур в повышении плодородия почвы

Итак, бобовые культуры имеют очень большое значение для повышения плодородия почвы. Накапливая азот в почве, они препятствуют истощению его запасов. Особенно велика роль бобовых в тех случаях, когда они используются на зеленые удобрения.

Но практиков сельского хозяйства, естественно, интересует и количественная сторона. Какое количество азота может быть накоплено в почве при культивировании тех или иных бобовых растений? Сколько азота остается в почве, если урожай полностью убирается с поля или если бобовые запахивают как зеленое удобрение?

Известно, что в случае заражения бобовых эффективными расами клубеньковых бактерий они могут связывать от 50 до 200 кг азота на гектар посева (в зависимости от почвы, климата, вида растения и т. д.).

По данным известных французских ученых Пошона и Де Бержака, в обычных полевых условиях бобовые культуры фиксируют приблизительно следующие количества азота (в кг /га):

Корневые остатки однолетних и многолетних бобовых растений в разных условиях культуры и на разных почвах содержат различные количества азота. В среднем люцерна ежегодно оставляет в почве около 100 кг азота на гектар. Клевер и люпин могут накопить в почве приблизительно по 80 кг связанного азота, однолетние бобовые оставляют в почве до 10-20 кг азота на гектар. Учитывая площади, занятые в СССР бобовыми, советский микробиолог Е. Н. Мишустин подсчитал, что они возвращают полям нашей страны ежегодно около 3,5 млн. т азота. Для сравнения укажем, что вся наша промышленность в 1961 году выработала 0,8 млн. т азотных удобрений, а в 1965 году даст 2,1 млн. т. Таким образом, азот, добываемый из воздуха бобовыми в симбиозе с бактериями, занимает ведущее место в азотном балансе земледелия нашей страны.

Распространение клубеньковых бактерий в природе

Являясь симбиотическими организмами, клубеньковые бактерии распространяются в почвах, сопутствуя определенным видам бобовых растений. После разрушения клубеньков клетки клубеньковых бактерий попадают в почву и переходят к существованию за счет различных органических веществ подобно другим почвенным микроорганизмам. Почти повсеместное распространение клубеньковых бактерий является доказательством высокой степени их адаптируемости к различным почвенно-климатическим условиям, способности вести симбиотический и сапрофитный способ жизни.

Схематизируя имеющиеся к настоящему времени данные по распространению клубеньковых бактерий в природе, можно сделать следующие обобщения.

В целинных и окультуренных почвах присутствуют обычно в больших количествах клубеньковые бактерии тех видов бобовых растений, которые имеются в составе дикой флоры или культивируются длительное время в данной местности. Численность клубеньковых бактерий всегда наивысшая в ризосфере бобовых растений, несколько меньше их в ризосфере других видов и мало в почве вдали от корней.

В почвах встречаются как эффективные, так и неэффективные клубеньковые бактерии. Имеется много данных о том, что длительное сапрофитное существование клубеньковых бактерий, особенно в почвах с неблагоприятными свойствами (кислых, засоленных), ведет к снижению и даже утрате активности бактерий.

Рис. 1 - Клубеньки на корнях ольхи (по Дж. Бекингу)

Перекрестная заражаемость разных видов бобовых растений нередко приводит в природе и сельскохозяйственной практике к появлению на корнях клубеньков, недостаточно активно фиксирующих молекулярный азот. Это, как правило, зависит от отсутствия в почве соответствующих видов клубеньковых бактерий.

Особенно часто такое явление наблюдается при использовании новых видов бобовых растений, которые либо заражаются неэффективными видами бактерий Перекрестных групп, либо развиваются без клубеньков.

Рис. 2 - Клубеньки на корнях трибулюс (по О. Аллен)

Клубеньковые бактерии используются для промышленного производства нитрагина, применяемого для обработки семян бобовых растений. Они впервые обнаружены М. С. Ворониным в 1866 г. Позже М. В. Бейеринком (1888) они были выделены в чистой культуре и подробно изучены микробиологами и физиологами. Бактерии попадают в корни бобовых растений через корневой волосок и проникают во внутренние покровы корня, в паренхиму, вызывая усиленное деление и разрастание клеток. На корнях образуются уродливые наросты, называемые желваками, или клубеньками. Вначале бактерии усваивают питательные вещества растения и несколько тормозят его рост. Затем по мере разрастания ткани клубенька между бактериями и высшими растениями устанавливается симбиоз. Бактерии получают от растения углеродистую пищу (сахара) и минеральные вещества, а взамен предоставляют ему азотистые соединения.

Клубеньковые бактерии поселяются в почве, размножаются и через отверстия в корневых волосках бобовых растений проникают в корневые клетки. В клетках происходит усиленное размножение клубеньковых бактерий и параллельно идет интенсивное деление корневых клеток, инфицированных клубеньковыми бактериями.

Клубеньковые бактерии снабжают бобовое растение азотом. Растение использует этот связанный азот и в свою очередь доставляет клубеньковым бактериям необходимые им углеродсодержащие органические вещества. В качестве источника углерода клубеньковые бактерии могут использовать различные сахара, спирты.

Клубеньковые бактерии - микроаэрофилы (развиваются при незначительных количествах кислорода в среде), предпочитающие, однако, аэробные условия. Клубеньковые бактерии, вышедшие из инфекционной нити, продолжают размножаться в ткани хозяина. Основная масса бактерий размножается в цитоплазме клетки, а не в инфекционной нити. Наиболее интенсивно развиваются при реакции почвы, близкой к нейтральной. Поэтому при посевах бобовых на кислых почвах наряду с инокуляцией семян необходимо известкование почвы. Инокуляция без известкования оказывает очень слабое влияние на урожай и содержание белка.

Клубеньковые бактерии способны при благоприятных условиях за один сезон накопить до 200 - 300 кг / га азота.

Молодые клубеньковые бактерии в чистой культуре на питательных средах обычно имеют палочковидную форму (рис. 2, 3), размер палочек примерно 0 5 - 0 9 X 1 2 - 3 0 мкм, подвижные, размножаются делением

Помимо клубеньковых бактерий, в почве живут и другие микроорганизмы, способные усваивать свободный азот воздуха; они обитают не на корнях растений, а вблизи них. Все остальные питательные вещества, необходимые этим микробам, они усваивают самостоятельно, а не за счет соков растения, как это присуще клубеньковым растениям. Важнейшим из живущих в почве микроорганизмов, способных усваивать азот атмосферы, является азотобактер. Эти бактерии могут жить при благоприятных условиях влажности, хорошем притоке воздуха, подходящих температуре и кислотности почвы. Требования азотобактера к тепловому режиму и влажности почвы примерно такие же, как и требования культурных растений, но к кислотности почвы он чувствительнее, чем большинство растений.

Данные палеонтологии свидетельствуют о том, что самыми древними бобовыми культурами, имевшими клубеньки, были некоторые растения, принадлежащие к группе Eucaesalpinioideae.

У современных видов бобовых растений клубеньки обнаружены на корнях многих представителей семейства Papilionaceae.

Филогенетически более примитивные представители таких семейств, как Caesalpiniaceae, Mimosaceae, в большинстве случаев клубеньков не образуют.

Из 13 000 видов (550 родов) бобовых растений наличие клубеньков выявлено пока только приблизительно у 1300 видов (243 рода). Сюда в первую очередь относятся виды растений, использующиеся в сельском хозяйстве (более 200).

Сформировав клубеньки, бобовые растения приобретают способность усваивать атмосферный азот. Однако они способны питаться и связанными формами азота - солями аммония и азотной кислоты. Лишь одно растение - копеечник (Hedysarum coronarium) - ассимилирует только молекулярный азот. Поэтому без клубеньков в природе это растение не встречается.

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

В 1866 г. известный ботаник и почвовед М.С.Воронин увидел в клубеньках на корнях бобовых растений мельчайшие «тельца». Воронин выдвинул смелые для того времени предположения: он связал образование клубеньков с деятельностью бактерий, а усиленное деление клеток ткани корня с реакцией растения на проникшие в корень бактерии.

20 лет спустя голландский ученый Бейерин к выделил из клубеньков гороха, вики, чины, фасоли, сераделлы и лядвенца бактерии и изучал их свойства, проверив способность заражать растения и вызывать образование клубеньков. Он назвал эти микроорганизмы Bacillus radicicola. Поскольку к роду Bacillus относятся бактерии, образующие споры, а клубеньковые бактерии лишены этой способности, А. Пражмовский переименовал их в Bacterium radicicola. Б. Франк предложил более удачное родовое название клубеньковых бактерий - Rhizobium (от греч. rhizo - корень, bio - жизнь; жизнь на корнях). Это название привилось и используется в литературе до сих пор.

Для обозначения вида клубеньковых бактерий принято к родовому названию Rhizobium добавлять термин, соответствующий латинскому названию того вида растения, из клубеньков которого они выделены и на котором могут образовывать клубеньки. Например, Rhizobium trifolii - клубеньковые бактерии клевера, Rhizobium lupini - клубеньковые бактерии люпина и т. д. В тех случаях, если клубеньковые бактерии способны образовывать клубеньки на корнях разных видов бобовых растений, т. е. вызывать так называемое перекрестное заражение, видовое название является как бы собирательным - в нем отражена именно эта «перекрестно заражающая» способность. Например, Rhizobium leguminosarum - клубеньковые бактерии гороха (Pisum), чечевицы (Lens), чины (Lathyrus).

Морфология и физиология клубеньковых бактерий. Для клубеньковых бактерий характерно поразительное разнообразие форм - полиморфность. На это обращали внимание многие исследователи, изучая клубеньковые бактерии в чистой культуре в лабораторных условиях и почве. Клубеньковые бактерии могут быть палочковидными и овальными. Среди этих бактерий встречаются также фильтрующиеся формы, L-формы, кокковидные неподвижные и подвижные организмы.

Молодые клубеньковые бактерии в чистой культуре на питательных средах обычно имеют палочковидную форму (рис. 143, 2, 3), размер палочек примерно 0,5-0,9 X 1,2-3,0 мкм, подвижные, размножаются делением. У палочковидных клеток клубеньковых бактерий клевера наблюдается деление перешнуровыванием. С возрастом палочковидные клетки могут переходить к почкованию. По Граму клетки окрашиваются отрицательно, ультратонкая структура их типична для грамотрицательных бактерий (рис. 143, 4).

При старении клубеньковые бактерии теряют подвижность и переходят в состояние так называемых опоясанных палочек. Такое название они получили вследствие чередования в клетках плотных и неплотных участков протоплазмы. Полосатость клеток хорошо выявляется при просмотре в световом микроскопе после обработки клеток анилиновыми красителями. Плотные участки протоплазмы (пояски) прокрашиваются хуже, чем промежутки между ними. В люминесцентном микроскопе пояски светло-зеленые, промежутки между ними не светятся и выглядят темными (рис. 143, 1). Пояски могут располагаться в середине клетки или на концах. Опоясанность клеток видна и на электроннограммах, если препарат перед просмотром не обрабатывать контрастирующими веществами (рис. 143, 3). Вероятно, с возрастом бактериальная клетка наполняется жировыми включениями, не воспринимающими окраску и вследствие этого обусловливающими исчерченность клетки. Стадия «опоясанных палочек» предшествует стадии формирования бактероидов - клеток неправильной формы: утолщенных, разветвленных, сферических, грушевидных и колбовидных (рис. 144). Термин «бактероиды» ввел в литературу Дж. Брунхорст в 1885 г., применив его к необычным по форме образованиям, значительно более крупным, чем палочковидные клетки бактерий, встречающимся в тканях клубеньков.

,

Бактероиды содержат большее количество волютиновых гранул и характеризуются более высоким содержанием гликогена и жира, чем палочковидные клетки. Бактероиды, выращенные в искусственных питательных средах и образовавшиеся в тканях клубенька, физиологически однотипны. Есть мнение, что бактероиды - это формы бактерий с незавершенным процессом деления. При незавершенном делении клеток клубеньковых бактерий возникают дихотомически ветвящиеся формы бактероидов. Количество бактероидов увеличивается при старении культуры; их появлению способствуют истощение питательной среды, накопление продуктов обмена, внесение в среду алкалоидов.

В старых (двухмесячных) культурах клубеньковых бактерий с помощью электронного микроскопа можно выявить во многих клетках четко очерченные образования сферической формы (рис. 145) - артроспоры. Их количество в клетках варьирует от 1 до 5.

На питательных средах клубеньковые бактерии различных видов бобовых растений растут с разной скоростью. К быстрорастущим относятся клубеньковые бактерии гороха, клевера, люцерны, кормовых бобов, вики, чечевицы, чины, донника, пажитника, фасоли, нута, лядвенца; к медленнорастущим - клубеньковые бактерии люпина, сои, арахиса, сераделлы, маша, вигны, эспарцета, дрока. Вполне сформировавшиеся колонии быстрорастущих культур можно получить на 3 - 4-е сутки инкубации, колонии медленнорастущих - на 7 - 8-е.

Для быстрорастущих клубеньковых бактерий характерно перитрихиальное расположение жгутиков, для медленнорастущих - монотрихиальное (табл. 42, 1-5).

Кроме жгутиков, у клеток клубеньковых бактерий при выращивании на жидких средах образуются нитевидные и четковидные выросты (табл. 42, 43). Длина их достигает 8-10 мкм. Они обычно располагаются на поверхности клетки перитрихиально, содержится их от 4 до 10 и больше на одну клетку.

,

Колонии быстрорастущих клубеньковых бактерий имеют цвет топленого молока, часто полупрозрачные, слизистые, с ровными краями, умеренно выпуклые, со временем разрастаются на поверхности агаризованной среды. Колонии медленнорастущих бактерий более выпуклые, мелкие, сухие, плотные и, как правило, не разрастающиеся на поверхности среды. Слизь, вырабатываемая клубеньковыми бактериями, представляет собой комплексное соединение полисахаридного типа, в состав которого входят гексозы, пентозы и уроновые кислоты.

Клубеньковые бактерии - микроаэрофилы (развиваются при незначительных количествах кислорода в среде), предпочитающие, однако, аэробные условия.

В качестве источника углерода в питательных средах клубеньковые бактерии используют углеводы и органические кислоты, в качестве источника азота - разнообразные минеральные и органические азотсодержащие соединения. При культивировании на средах с высоким содержанием азотсодержащих веществ клубеньконые бактерии могут утратить способность проникать в растение и образовывать клубеньки. Поэтому обычно клубеньковые бактерии выращивают на растительных экстрактах (фасолевом, гороховом отваре) или почвенных вытяжках. Необходимый для развития фосфор клубеньковые бактерии могут получать из минеральных и органических фосфорсодержащих соединений; источником кальция, калия и других минеральных элементов могут служить минеральные соединения.

Для подавления посторонней сапрофитной микрофлоры при выделении клубеньковых бактерий из клубеньков или непосредственно из почвы рекомендуются питательные среды с добавлением кристаллического фиолетового, танина или антибиотиков.

Для развития большинства культур клубеньковых бактерий требуется оптимальная температура в пределах 24-26°. При 0° и 37 °С рост приостанавливается. Обычно культуры клубеньковых бактерий в условиях лаборатории хранят при пониженных температурах (2-4 °С).

Многие виды клубеньковых бактерий способны синтезировать витамины группы В, а также ростовые вещества типа гетероауксина (-индолилуксусная кислота).

Все клубеньковые бактерии приблизительно одинаково устойчивы к щелочной реакции среды (рН = 8,0), но неодинаково чувствительны к кислой.

Специфичность, вирулентность, конкурентоспособность и активность клубеньковых бактерий.

Понятие специфичности клубеньковых бактерий - собирательное. Оно характеризует способность бактерий.образовывать клубеньки у растений. Если говорить о клубеньковых бактериях вообще, то для них образование клубеньков только у группы бобовых растений уже само по себе специфично - они обладают избирательностью к бобовым растениям.

Однако если рассматривать отдельные культуры клубеньковых бактерий, то оказывается, что среди них есть такие, которые способны заражать лишь определенную, иногда большую, иногда меньшую, группу бобовых растений, и в этом смысле специфичность клубеньковых бактерий - это избирательная способность в отношении растения-хозяина. Специфичность клубеньковых бактерий может быть узкой (клубеньковые бактерии клевера заражают только группу клеверов - видовая специфичность, а клубеньковые бактерии люпина могут характеризоваться даже сортовой специфичностью - заражать только алкалоидные или безалкалоидные сорта люпина). При широкой специфичности клубеньковые бактерии гороха могут заражать растения гороха, чины, бобов, а клубеньковые бактерии чины и бобов могут заражать растения гороха, т. е. все они характеризуются способностью «перекрестного заражения». Специфичность клубеньковых бактерий лежит в основе их классификации.

Специфичность клубеньковых бактерий возникла в результате их длительного приспособления к одному растению или к группе их и генетической передачи этого свойства. В связи с этим различная приспособленность клубеньковых бактерий к растениям имеется и в пределах группы перекрестного заражения. Так, клубеньковые бактерии люцерны могут образовать клубеньки у донника. Но тем не менее они более приспособлены к люцерне, а бактерии донника - к доннику.

В процессе инфекции корневой системы бобовых растений клубеньковыми бактериями большое значение имеет вирулентность микроорганизмов. Если специфичностью определяется спектр действия бактерий, то вирулентность клубеньковых бактерий характеризует активность их действия в пределах данного спектра. Под вирулентностью подразумевается способность клубеньковых бактерий проникать в ткань корня, размножаться там и вызывать образование клубеньков.

Большую роль играет не только сама способность проникать в корни растения, но и скорость этого проникновения.

Для определения вирулентности штамма клубеньковых бактерий необходимо установить его способность вызывать образование клубеньков. Критерием вирулентности любого штамма может служить то минимальное количество бактерий, которое обеспечивает более энергичное инфицирование корней по сравнению с другими штаммами, завершающееся формированием клубеньков.

В почве в присутствии других штаммов не всегда более вирулентный штамм будет инфицировать растение первым. В этом случае следует учитывать его конкурентную способность , которая нередко маскирует свойство вирулентности в природных условиях.

Необходимо, чтобы вирулентные штаммы обладали и конкурентоспособностью, т. е. могли успешно конкурировать не только с представителями местной сапрофитной микрофлоры, но и с другими штаммами клубеньковых бактерий. Показателем конкурентоспособности штамма служит количество образованных им клубеньков в процентах от общего числа клубеньков на корнях растений.

Важным свойством клубеньковых бактерий является их активность (эффективность), т. е. способность в симбиозе с бобовыми растениями ассимилировать молекулярный азот и удовлетворять в нем потребности растенияхозяина. В зависимости от того, в какой степени клубеньковые бактерии способствуют повышению урожайности бобовых культур (рис. 146), их принято делить на активные (эффективные), малоактивные (малоэффективные) и неактивные (неэффективные).

Неактивный для одного растения-хозяина штамм бактерий в симбиозе с другим видом бобового растения может быть вполне эффективным. Поэтому при характеристике штамма с точки зрения его эффективности следует всегда указывать, в отношении какого вида растения-хозяина проявляется его действие.

Активность клубеньковых бактерий не является их постоянным свойством. Нередко в лабораторной практике наблюдается потеря активности у культур клубеньковых бактерий. При этом или теряется активность у всей культуры, или появляются отдельные клетки с малой активностью. Снижение степени активности клубеньковых бактерий происходит в присутствии некоторых антибиотиков, аминокислот. Одной из причин утраты активности клубеньковых бактерий может быть влияние фага. Пассированием, т. е. неоднократным проведением бактерий через растение-хозяина (адаптацией к определенному виду растения), можно получить эффективные штаммы из неэффективных.

Воздействие у-лучами дает возможность получать штаммы с усиленной эффективностью. Известны случаи возникновения высокоактивных радиомутантов клубеньковых бактерий люцерны из неактивного штамма. Применение ионизирующих излучений, оказывающих непосредственное влияние на изменение генетических особенностей клетки, по всей вероятности, может явиться перспективным приемом при селекции высокоактивных штаммов клубеньковых бактерий.

Инфицирование бобового растения клубеньковыми бактериями.

Для обеспечения нормального процесса инфицирования корневой системы клубеньковыми бактериями необходимо наличие довольно большого количества жизнеспособных клеток бактерий в прикорневой зоне. Мнения исследователей в отношении количества клеток, необходимых для обеспечения процесса инокуляции, различны. Так, по данным американского ученого О. Алл ена (1966), для инокуляции мелкосеменных растений требуется 500-1000 клеток, для инокуляции крупносеменных - не менее 70 000 клеток на 1 семя. По мнению австралийского исследователя Дж. Винцента (1966), в момент инокуляции на каждое семя должно приходиться по крайней мере несколько сотен жизнеспособных и активных клеток клубеньковых бактерий. Имеются данные, что в ткань корня могутвнедряться и единичные клетки.

При развитии корневой системы бобового растения размножение клубеньковых бактерий на поверхности корня стимулируется выделениями корня. Продукты разрушения корневых чехликов и волосков играют также немаловажную роль в обеспечении клубеньковых бактерий подходящим субстратом.

В ризосфере бобового растения резко стимулируется развитие клубеньковых бактерий, для злаковых растений такого явления не наблюдается.

На поверхности корня имеется слой слизистого вещества (матрица), образующийся независимо от наличия в ризосфере бактерий. Этот слой хорошо виден при исследовании в светооптическом микроскопе (рис. 147). Клубеньковые бактерии после инокуляции обычно устремляются к этому слою и скапливаются в нем (рис. 148) вследствие стимуляционного эффекта корня, проявляющегося даже на расстоянии до 30 мм.

,

В этот период, предшествующий внедрению клубеньковых бактерий в ткань корня, бактерии в ризосфере чрезвычайно подвижны. В ранних работах, в которых для исследований использовался световой микроскоп, клубеньковым бактериям, находящимся в зоне ризосферы, было дано название швермеров (гонидий или зооспор) - «роящихся». С помощью метода Фэреуса (1957) можно наблюдать образование чрезвычайно быстро движущихся колоний швермеров в области кончика корня и корневых волосков. Колонии швермеров существуют очень короткое время - менее суток.

О механизме проникновения клубеньковых бактерий в корень растения существует ряд гипотез. Наиболее интересные из них следующие. Авторы одной из гипотез утверждают, что клубеньковые бактерии проникают в корень через повреждения эпидермальной и коровой ткани (особенно в местах ответвления боковых корней). Эта гипотеза была выдвинута на основании исследований Бриля (1888), вызвавшего образование клубеньков у бобовых растений путем прокалывания корней иглой, погруженной предварительно в суспензию клубеньковых бактерий. Как частный случай такой путь внедрения вполне реален. Например, у арахиса клубеньки преимущественно располагаются в пазухах ответвлений корней, что наводит на мысль о проникновении клубеньковых бактерий в корень через разрывы при прорастании боковых корней.

Интересна и не лишена оснований гипотеза о проникновении клубеньковых бактерий в ткань корня через корневые волоски. Путь прохождения клубеньковых бактерий через корневые волоски признает большинство исследователей.

Очень убедительно предположение П. Дарта и Ф. Мерсера (1965) о том, что клубеньковые бактерии внедряются в корень в виде мелких (0,1-0,4 мкм) кокковидных клеток через промежутки (0,3-0,4 мкм) целлюлозной фибриллярной сети первичной оболочки корневых волосков. Электронно-микроскопические фотографии (рис. 149) поверхности корня, полученные методом реплик, и факт мельчания клеток клубеньковых бактерий в ризосфере бобовых растений подтверждают это положение.

Не исключено, что клубеньковые бактерии могут проникать в корень через эпидермальные клетки молодых верхушек корня. По мнению Пражмовского (1889), бактерии могут проникать в корень только через молодую клеточную оболочку (корневых волосков или эпидермальных клеток) и совершенно не способны преодолевать химически измененный или опробковевший слой коры. Этим можно объяснить, что клубеньки обычно развиваются на молодых участках главного корня и появляющихся боковых корнях.

В последнее время большую популярность получила ауксинная гипотеза. Авторы этой гипотезы считают, что клубеньковые бактерии проникают в корень благодаря стимуляции синтеза (β-индолилуксусной кислоты (гетероауксина) из триптофана, имеющегося всегда в корневых выделениях растений. С наличием гетероауксина связывается искривление корневых волосков, которое обычно наблюдается при инфицировании корневой системы клубеньковыми бактериями (рис. 150).

Источником β-индолилуксусной кислоты в момент инфицирования растения, очевидно, служат не только растения, выделяющие через корневую систему триптофан, который многие виды бактерий, в том числе и клубеньковые, могут переводить в β-индолилуксусную кислоту. Сами клубеньковые бактерии, а возможно, и другие виды почвенных микроорганизмов, живущие в зоне корня, также могут участвовать в синтезе гетероауксина.

Однако принимать безоговорочно ауксинную гипотезу нельзя. Действие гетероауксина неспецифично и вызывает искривление корневых волосков у разных видов растений, а не только бобовых. В то же время клубеньковые бактерии вызывают искривление корневых волосков лишь у бобовых растений, проявляя при этом довольно значительную избирательность. Если бы рассматриваемый эффект определялся только β-индолилуксусной кислотой, то такой специфики не было бы. Кроме того, характер изменений корневых волосков под влиянием клубеньковых бактерий несколько иной, чем под влиянием гетероауксина.

Следует также отметить, что в отдельных случаях инфицированию подвергаются неискривленные корневые волоски. Наблюдения показывают, что у люцерны и гороха искривляются и закручиваются 60-70% корневых волосков, а у клевера - около 50%. У некоторых видов клевера эта реакция отмечается не более чем у 1/4 части заражаемых волосков. В реакции искривления, очевидно, имеет большое значение состояние корневого волоска. Растущие корневые волоски наиболее чувствительны к действию веществ, вырабатываемых бактериями.

Известно, что клубеньковые бактерии вызывают размягчение стенок корневых волосков. Однако ни целлюлазы, ни пектинолитических ферментов они не образуют. В связи с этим было высказано предположение, что клубеньковые бактерии проникают в корень благодаря выделению ими слизи полисахаридной природы, вызывающей синтез растениями фермента полигалактуроназы. Этот фермент, разрушая пектиновые вещества, влияет на оболочку корневых волосков, делая ее более пластичной и проницаемой. В небольших количествах полигалактуроназа всегда присутствует в корневых волосках и, очевидно, вызывая частичное растворение соответствующих компонентов оболочки, позволяет клетке растягиваться.

Некоторые исследователи полагают, что клубеньковые бактерии проникают в корень благодаря бактериям-спутникам, продуцирующим пектинолитические ферменты. Эта гипотеза была выдвинута на основании следующих фактов. При микроскопировании корневых волосков многие исследователи отмечали наличие светлого пятна, около которого скапливаются клубеньковые бактерии. Это пятно, возможно, является признаком начала мацерации (разрушения) ткани протопектиназой по аналогии с таким же признаком, наблюдающимся у растений при многих бактериальных заболеваниях. Кроме того, установлено, что авирулентные культуры клубеньковых бактерий в присутствии бактерий, продуцирующих пектинолитические ферменты, становятся способными проникать в корень.

Следует отметить еще одну гипотезу, по которой клубеньковые бактерии попадают в корень при образовании пальцевидного впячивания поверхности корневого волоска. На электроннограмме среза корневого волоска, подтверждающей эту гипотезу (рис. 150, 3), виден изогнутый в виде ручки зонтика корневой волосок, в изгибе которого находится скопление клубеньковых бактерий. Клубеньковые бактерии как бы втягиваются (проглатываются) корневым волоском (подобно пиноцитозу).

Гипотеза инвагинации, по существу, не может быть отделена от ауксинной или ферментативной гипотезы, поскольку инвагинация происходит в результате воздействия либо ауксинного, либо ферментного фактора.

Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня одинаков у всех видов бобовых растений и состоит из двух фаз. В первую фазу происходит инфицирование корневых волосков. Во вторую фазу интенсивно идет процесс образования клубеньков. Продолжительность фаз различна у разных видов растений: у Trifolium fragiferum первая фаза продолжается 6 дней, у Trifolium nigrescens - 3 дня.

В некоторых случаях очень трудно обнаружить границы между фазами. Наиболее интенсивное внедрение клубеньковых бактерий в корневые волоски происходит на ранних этапах развития растения. Вторая фаза заканчивается в период массового образования клубеньков. Нередко внедрение клубеньковых бактерий в корневые волоски продолжается уже и после того, как клубеньки сформировались на корнях. Эта так называемая избыточная или дополнительная инфекция происходит потому, что инфицирование волосков не прекращается длительное время. В более поздние сроки заражения клубеньки обычно размещаются ниже по корню.

Тип развития, структура и плотность корневых волосков не влияют на скорость внедрения клубеньковых бактерий. Места образования клубеньков не всегда связаны с местами расположения инфицированных волосков.

Проникнув в корень (через корневой волосок, эпидермальную клетку, места повреждений корня), клубеньковые бактерии далее перемещаются в ткани корня растения. Наиболее легко бактерии проходят через межклеточные пространства.

Внедриться в ткань корня может или одиночная клетка, или группа клеток бактерий. Если внедрилась отдельная клетка, она и в дальнейшем может перемещаться по ткани как одиночка. Путь инфицирования корня одиночными клетками свойствен растениям люпина.

Однако в большинстве случаев внедрившаяся клетка, активно размножаясь, образует так называемые инфекционные нити (или инфекционные тяжи) и уже в виде таких нитей перемещается в ткани растения.

Термин «инфекционная нить» возник на основе изучения процесса инфицирования в световом микроскопе. Начиная с работ Бейеринка, инфекционная нить стала рассматриваться как слизистая гифообразная масса с заключенными в нее размножающимися бактериями.

По существу, инфекционная нить - это колония размножившихся бактерий. Началом ее служит то место, куда проникла отдельная клетка или группа клеток. Не исключено, что колония бактерий (а следовательно, и будущая инфекционная нить) начинает формироваться еще на поверхности корня до момента внедрения бактерий в корень.

Количество инфицированных корневых волосков значительно различается у отдельных растений. Обычно инфекционные нити появляются в деформированных, искривленных корневых волосках. Однако есть указания, что и в прямых волосках иногда обнаруживаются подобные нити. Чаще в корневых волосках наблюдается одна разветвляющаяся нить, реже две. В некоторых случаях в одном корневом волоске имеется несколько нитей или же в нескольких имеются общие нити заражения, дающие начало одному клубеньку (рис. 151).

Процент инфицированных корневых волосков в общем количестве деформированных необъяснимо низок. Он обычно колеблется от 0,6 до 3,2, изредка достигая 8,0. Доля удачных инфекций еще ниже, поскольку среди инфекционных нитей имеется много (до 80%) так называемых абортивных нитей, прекративших свое развитие. Скорость продвижения нормально развивающихся инфекционных нитей в растении - 5 - 8 мкм в час. При такой скорости путь через корневой волосок длиной 100-200 мкм инфекционная нить может пройти в течение одних суток.

Морфолого-анатомическая характеристика клубеньков в их онтогенезе.

По способу образования клубеньки бобовых растений подразделяются на два типа:

1-й тип - клубеньки возникают при делении клеток перицикла (корнеродного слоя), обычно расположенных против протоксилемы (первых по времени образования сосудов) - эндогенный тип образования клубеньков;

2-й тип - клубеньки происходят из коры корня в результате внедрения возбудителя в паренхимные клетки коры и эндодермы (внутреннего слоя первичной коры) - экзогенный тип образования клубеньков.

В природе преобладает последний тип. Ткани центрального цилиндра корня принимают участие только в образовании сосудистой системы клубеньков как эндогенного, так и экзогенного типа.

Несмотря на различные взгляды на природу возникновения клубеньков зкзо- и эндотипов, процесс развития их в основном одинаков. Однако ни тот, ни другой тип образования клубеньков ни в коем случае не следует отождествлять с процессом образования боковых корней, несмотря на то что существуют и отдельные черты сходства в их заложении. Так, формирование клубеньков и боковых корней происходит одновременно и к тому же в одной и той же зоне корня.

В то же время ряд особенностей развития боковых корней и клубеньков подчеркивает глубокие различия в типе их формирования. Боковые корни возникают в перицикле. С первых же моментов развития они связаны с центральным цилиндром главного корня, от которого ответвляются центральные цилиндры боковых корней,и возникают они всегда против луча первичной древесины. Формирование клубенька, в отличие от бокового корня, возможно в любом месте. В самом начале формирования клубеньковой ткани сосудистой связи с центральным цилиндром корня нет, она возникает позднее. Сосуды обычно формируются по периферии клубенька. Они связаны с сосудами корня через зону трахеид и имеют собственную эндодерму (рис. 152).

Различие в характере возникновения клубеньков и боковых корней особенно четко наблюдается у сераделлы, поскольку коровая ткань главного корня этого растения - место возникновения первых клубеньков - состоит из относительно небольшого слоя клеток и клубеньки становятся видимыми очень быстро после инфицирования корня бактериями. Они образуют сначала выступы уплощенной формы на корне, что позволяет отличить их от конических выступов боковых корней. Клубеньки отличаются от боковых корней и рядом анатомических признаков: отсутствием центрального цилиндра, корневых чехликов и эпидермиса, наличием значительного слоя коры, покрывающей клубенек.

Формирование клубеньков (рис. 153, 1, 2) бобовых растений происходит в период, когда корень имеет еще первичную структуру. Оно начинается с деления коровых клеток, расположенных на расстоянии 2-3 слоев от концов инфекционных нитей. Слои коры, пронизанные инфекционными нитями, остаются без изменения. В то же время у сераделлы деление коровых клеток возникает непосредственно под инфицированным корневым волоском, а у гороха деление клеток отмечается только в предпоследнем слое коры.

Деление с образованием радиальной структуры ткани продолжается до внутренних коровых клеток. Происходит оно без определенного направления, беспорядочно, и в результате этого возникает меристема (система образовательных тканей) клубенька, состоящая из мелких зернистых клеток.

Разделившиеся клетки коры изменяются: ядра округляются и увеличиваются в размерах, особенно увеличиваются ядрышки. После митоза ядра расходятся и, не принимая первоначальной формы, вновь начинают делиться.

Возникает вторичная меристема. Вскоре в эндодерме и перицикле появляются признаки начинающегося деления, которое в прежних внешних клетках происходит главным образом тангентальными перегородками. Это деление распространяется, наконец, на общий меристематический комплекс, мелкие клетки которого вытягиваются, вакуоли исчезают, ядро заполняет большую часть клетки. Образуется так называемый первичный клубенек, в плазме клеток которого клубеньковые бактерии отсутствуют, поскольку они на данной стадии еще находятся внутри инфекционных нитей. В то время как образуется первичный клубенек, инфекционные нити многократно разветвляются и могут проходить или между клетками- интерцеллюлярно (рис. 154), или сквозь клетки - интрацеллюлярно - и вносить бактерии (рис. 155).

,

Межклеточные инфекционные нити вследствие активного размножения в них клубеньковых бактерий нередко приобретают причудливую форму - формируются в виде карманов (дивертикулов) или факелов (см. рис. 154).

Процесс передвижения инфекционных нитей из клетки в клетку не совсем ясен. По-видимому, инфекционные нити, как полагает канадский микробиолог Д. Джордан (1963), блуждают в виде голых слизистых тяжей в межклеточных промежутках растительной ткани до тех пор, пока вследствие каких-то еще необъяснимых причин не начинают инвагинировать в цитоплазму примыкающих клеток.

В некоторых случаях инвагинация инфекционной нити происходит в одну, в некоторых случаях - в каждую соседнюю клетку. По этим инвагинированным трубчатым полостям (дивертикулам) перетекает заключенное в слизь содержимое нити. Наиболее активный рост инфекционных нитей происходит обычно вблизи ядра растительной клетки. Проникновение нити сопровождается перемещением ядра, которое продвигается к месту инфекции, увеличивается, меняет форму и дегенерирует. Подобная картина наблюдается при грибной инфекции, когда ядро нередко ус

Развитие симбиотических ассоциаций между бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями представляет огромный интерес для агрономии. Эти симбиозы обеспечивают большую часть биологически связанного азота, доступного сельскохозяйственным культурам.

Клубеньковые бактерии - довольно обычные грам-отрицательные микроорганизмы, объединенные в одно семейство с известными фитопатогенными бактериями Agrobacterium. Хотя клубеньковые бактерии рассматриваются в этой статье исключительно с точки зрения их роли в симбиотических взаимоотношениях с растениями, необходимо всегда помнить, что они очень хорошо приспособлены к длительному выживанию в почве даже в отсутствие специфических растений-хозяев. Точно так же и хозяева этих бактерий - бобовые растения, например соя и клевер, могут хорошо расти без своих симбионтов. Таким образом, симбиоз бобовых растений и клубеньковых бактерий - это скорее факультативная, а не облигатная ассоциация. Она обычно выгодна для обоих организмов, но не обязательна для их развития. Каждый партнер этой ассоциации может вести свою собственную жизнь и хорошо для этого приспособлен. Следовательно, можно ожидать, что в процессе инфекции и установления симбиоза развитие клубеньковых бактерий должно быстро изменяться, т. е. происходит адаптация, позволяющая им перейти из комплексной среды обитания в почве в динамическую среду на поверхности корня, а затем в совсем особую среду внутри клеток хозяина. Растение-хозяин должно также быстро реагировать на присутствие симбиотических бактерий на поверхности его корней, причем ответные реакции хозяина должны заметно отличаться от их реакций на другие почвенные микроорганизмы. В растении-хозяине должны произойти значительные внутренние изменения, в результате которых оно сможет принять своего бактериального партнера и переключиться с потребления связанного азота из экзогенных источников на усвоение симбиотически образованного NH 3 . Совершенно очевидно, что процесс инфекции и развития симбиотических отношений состоит из целой серии мутуалистических адаптаций. Во многих отношениях этот процесс напоминает инфицирование восприимчивого хозяина патогенным организмом, и в то же время они совершенно различны.

Инфицирование сои Rhizobium japonicum, очевидно, начинается с реакции бактерии на появление сигнальных и питательных веществ, выделяемых корнями хозяина. Клетки Rhizobium очень быстро прикрепля-ются к поверхности корня, и их можно обнаружить уже спустя несколько секунд или минут после инокуляции корней. Прикрепление бактерий чаще всего полярное. Следующий этап, наблюдаемый в инфекционном процессе, - скручивание корневых волосков. Скручивание и деформация последних специфически индуцируются клубеньковыми бактериями. Скручивание начинается спустя несколько часов после инокуляции и становится заметным примерно через 12 ч. Клубеньковые бактерии проникают в скрученные корневые волоски у точки наибольшего изгибания и внедряются в них в виде трубчатой структуры, называемой инфекционной нитью. Эти нити переносят клетки ризо-бий, обычно в виде одной цепочки, к основанию корневого волоска (к базальной клетке). Кончик растущей инфекционной нити, по-видимому, движется по пути ядра клетки хозяина. До того момента как инфекционная нить выйдет из базальной клетки волоска, в близлежащих кортикальных клетках происходит стимуляция деления и заполнения цитоплазмой. Инфекционные нити проникают через клеточную стенку, расположенную между клеткой корневого волоска и прилегающими к ней кортикальными клетками, и разветвляются, захватывая многие непрерывно делящиеся кортикальные клетки. Затем происходит высвобождение клеток клубеньковых бактерий из кончиков инфекционных нитей в цитоплазму клеток хозяина. Сразу же после высвобождения бактерии инкапсулируются цитоплазматическими мембранами клеток хозяина и, таким образом, никогда не вступают в прямой контакт с цитоплазмой хозяина. Клетки клубеньковых бактерий и расте-ния-хозяина пролиферируют, формируя структуры, называемые клубеньками, которые состоят из примерно равных в весовом соотношении масс бактерий и тканей растения. Хозяин обеспечивает ризобии продуктами фотосинтеза, а бактерии осуществляют превращение атмосферного N 2 в NH 3 , снабжая растения доступным азотом.

Это удивительный процесс, замечательный по специфике, механизмам действия, развитию и регуляторной утонченности. Наблюдение за ним и изучение его доставляет истинное наслаждение.

Мы начали систематическое и многоплановое изучение инфицирования con Rhizobium japonicum. Моими коллегами в этой работе были физиологи Арвинд Бхаг-ват, Маргарет Пирс и Т. В. Бхуванесвари, цитологи Джиллиан Терджен, Марк Пенс и Гарри Калверт, биохимик Эндрю Морт и специалисты по мутагенезу Ян Ло и Поко Ямамото. Исследования клубеньковых бактерий были начаты с изучения механизмов распознавания и специфичности по отношению к хозяевам. По крайней мере, для большинства бобовых растений, обитающих в зоне умеренного климата, существует четко выраженная специфичность к ризобиям. Например, Rhizobium meli-loti формирует клубеньки только с люцерной и не инфицирует клевер или другие виды бобовых. Штаммы R. japonicum образуют клубеньки лишь с соей, но не с люцерной, клевером и т. д.

Молекулярные основы специфичности хозяев и клубеньковых бактерий

Специфичность хозяина и механизмы распознавания в течение многих лет представляют обширную область исследований для фитопатологов, включая и тех специалистов, которые изучают симбиозы Rhizobium. В 1975 г. Альбершейм и Андерсон-Праути выдвинули теоретическое предположение о том, что в реакции распознавания в системах растение - патоген участвуют связывающие углеводы белки (т. е. лектины) хозяина, реагирующие с углеводами на поверхности клеточных стенок микроорганизмов. Почти одновременно Болул и Шмидт привели экспериментальное доказательство тесной корреляции между возможностью различных клубеньковых бактерий инфицировать сою и их способностью связывать меченый лектин в семенах этого растения. Мы проверили с максимальной тщательностью опыты Болула и Шмидта и подтвердили корреляцию между образованием клубеньков и связыванием лектина ризобиями. Однако в научной литературе отмечены некоторые отклонения от указанной закономерности:

Бретауэр и Пэкстон, Чен и Филлипс, Ло и Стрийдом привели данные, свидетельствующие об отсутствии корреляции между связыванием лекти-нов и образованием клубеньков у сои;

Некоторые штаммы R. japonicum очень активно образовывали клубеньки, но не связывали лектин сои;

У ряда штаммов ризобий в культуре лишь небольшое число клеток (1-5%) связывало лектин сои.

На основании наблюдений мы установили одну важную закономерность, а именно способность клеток Rhi-zobium japonicum связывать лектин сои резко меняется с возрастом культуры. Это открытие позволяет предположить, что появление или исчезновение соединений, служащих рецепторами лектина, на поверхности клеток Rhizobium каким-то образом регулируется. Изучив возможность синтеза рецептора лектина в зависимости от веществ, присутствующих в корнях хозяина, мы установили, что все испытанные штаммы R. japonicum связывают лектин сои при выращивании в присутствии корней хозяина, тогда как на лабораторных средах многие из штаммов не имели клеток, способных связывать лектин. Влияние корней на образование рецепторов лектина позволяет объяснить противоречивость в результатах опытов с теми штаммами бактерий, которые образовывали клубеньки, но не связывали лектин, а также понять отсутствие корреляции между этими процессами в опытах других исследователей. Однако нам до сих пор неизвестно, какое из веществ в корнях растения-хозяина ответственно за изменения в синтезе рецептора.

Рис.1. Влияние возраста культуры Rhizobium japo nicum штамм 110 ARS на число клеток, способных связывать лектин сои, и на образование клубеньков на первичных корнях выше отметки исходного положения кончика корня (см. текст) в момент инокуляции:

1 - число клеток/мл; 2 - процент клеток, связывающих лек-тин; 3 - число клубеньков выше отметки в пересчете на растение; 4 - процент растений, имеющих клубеньки выше отметки.

Целесообразно также отметить, что Даззо и Хаббелл установили аналогичную четкую корреляцию между связыванием лектина и образованием клубеньков в симбиотической ассоциации клевер/Rhizobium trifolii.

Стабильность корреляций со связыванием лектина в системе соя/R, japonicum позволяет рассмотреть еще два вопроса:

Можно ли утверждать, что подходящий лектин, находящийся на поверхности корней сои в нужное время и нужном месте, действительно играет роль в реакции узнавания?

Какова природа рецептора лектина сои на поверхности клеток Rhizobium japonicum?

Определенного ответа на первый вопрос в настоящее время пока нет. Лучшим доказательством в его пользу могут быть данные Стейси и др., которые показали, что меченые антитела, специфичные для лектина семян сои, связывались корнями сои в противоположность меченым антителам неспецифической сыворотки. Низкая плотность связывания меченых антител может объяснить причину трудного обнаружения лектина в корнях другими, более прямыми биохимическими методами.

Более полные и точные данные получены по второму вопросу. В соответствии с убедительными цитологическими и биохимическими экспериментами лектин сои связывается материалом капсулы, окружающей клетки Rhizobium japonicum. Меченный ферритином лектин сои связывается капсулярным материалом бактерий, но не внешней мембраной клеток. Эта связь биохимически специфична, что показано методом ингибирования гаптенами сахара, и свободна от влияния артефактов, возникающих при фиксации, как было установлено с помощью криоскалывания.

Мы выделили капсулярный материал у двух различных штаммов R. japonicum и установили, что он состоит из полисахарида, структура которого представлена на рисунке 2. Возможно, что наиболее важной особенностью капсулярного полисахарида (КПС) является наличие боковой галактознльной цепи в каждой повторяющейся единице полимера. Связывание лектина сои поверхностью бактериальной клетки особенно сильно ингибируется при добавлении галактозы или N-ацетнлгалактозамина, показывая, что галактозоподобные структуры составляют важную часть материала, специфически связывающего лектин. Галакто-зильные остатки КПС иногда содержат метильную группу в позиции 4. По данным Хаммарстрема и др., лектин сон не присоединяется к 4-О-метилгалак-тозе. Поэтому особый интерес представляло открытие изменения состава сахаров, входящих в КПС, с возрастом культур бактерий. В старых культурах галакто-зильные остатки в КПС чаще были 4-О-метилированы.

Рис. 2. Структура повторяющейся пентасахаридной единицы, образующей капсулярный полисахарид/экзополисахарид (КПС/ЭПС) в штаммах 110/138 R. japonicum:

Гл - глюкоза; Ма - манноза; ГУК - галактуроновая кислота; Га - галактоза; Ац - ацетат; Me - метнл.

Превращение неметилированной галактозы в метилированную происходит особенно быстро в период, когда бактериальные культуры переходят от экспоненциальной к стационарной фазе роста. В это же время происходит внезапное уменьшение числа инкапсулированных клеток и бактерий, способных связывать лек-тин сон. Изменения в составе КПС и в инкапсуляции объясняют внезапную потерю этими штаммами способности связывать лектин. Как будет показано дальше, при достижении стационарной фазы роста эти штаммы также внезапно теряют инфекционную способность. Пока не установлено, существуют ли какие-либо причинные взаимосвязи между изменениями химического состава КПС, связыванием лектина и инфекционностью Rhizo-bium.

Необходимо учитывать, что штаммы R. japonicum синтезируют как капсулярный полисахарид (КПС), присоединяющийся к хозяину, так и экзополисахарид (ЭПС), не соединяющийся с хозяином. По данным Дад-мена, некоторые штаммы R. japonicum образуют ЭПС, структура которого представлена на рисунке 3. Этот ЭПС, выделенный из культуральных фильтратов, достоверно не содержит галактозоподобных остатков, способных связывать лектин сои. Если последний выступает в роли ви-доспецифичного детерминанта в реакциях распознавания для всех бактерий, образующих клубеньки на сое, следовательно, эти штаммы R. japonicum должны, в свою очередь, также образовывать, по крайней мере в малых количествах, какой-то КПС или ЭПС с сайтом связывания лектина по типу галактозы. По некоторым предварительным данным, два штамма клубеньковых бактерий, которые образуют ЭПС рамнозного типа, способны также синтезировать небольшие количества галактозосодержащих КПС/ЭПС (Морт, неопубл. данные).

Способность клеток R. japonicum связывать лектнн сон строго зависит от наличия капсулярного материала на бактериях. Однако образование клубеньков от этого не зависит. Мутанты R. japonicum, не формировавшие заметных капсул в любой фазе роста как на лабораторных питательных средах, так и при культивировании с корнями хозяина, тем не менее довольно легко образовывали клубеньки на корнях сон. Важным детерминантом способности к образованию клубеньков является возможность синтезировать адекватные количества галактозосодержащего полисахарида. Между количеством образуемого ЭПС, синтезированного различными мутантами ризобий, и их относительной способностью формировать клубеньки существует линейная связь. С появлением некоторого количества галактозосодержащего полисахарида перестает иметь значение, связан ли он с клетками бактерий или находится в свободном состоянии.

Рис. 3. Структура повторяющегося мономера в тетрасахариде, входящем в состав ЭПС штамма 61А76 Rhizobium japonicum; обозначения те же, что и на рисунке 2 (Rha - рафиноза).

1. Взаимосвязь между синтезом ЭПС и формированием клубеньков на корнях сои различными мутантами Rhizobium japonicum, не дающими нормальные капсулы

Можно считать слишком упрощенной идею о том, что лектпны хозяина и полисахариды поверхности клеток Rhizobium - это единственные детерминанты специфичности и распознавания при взаимодействии симбионтов. Если Даззо и Стейси с соавт. считают, что лектнны хозяина ответственны за специфичное прикрепление гомологичных клубеньковых бактерий к поверхности хозяина, то другие исследователи особо выделяют индукцию специфических ответных реакций хозяина с помощью образования связей типа лек-тин - полисахариды. И все же, по-видимому, более вероятно, что эти реакции взаимодействия представляют собой лишь часть сложной последовательности взаимообменов между обоими симбионтами по принципу сигнал- ответ. Согласно этой точке зрения, каждый этап в такой последовательной цепи по-своему определяет общую биологическую специфичность симбиоза. Ни один из этапов процесса распознавания нельзя исключать только потому, что он не является первым или наиболее селективным, и в то же время нельзя считать, что первый или наиболее селективный этап будет полностью определять специфичность симбиотических отношений.

Ранние процессы при инфекциях, вызываемых RHIZOBIUM

Об инициации или раннем развитии инфекций, вызываемых клубеньковыми бактериями у их симбионтов, известно удивительно мало, хотя некоторые последние работы дают по этим вопросам ценную информацию. Как показано ранее, первое внешнее проявление инфекционного процесса - это прикрепление бактерий к поверхности корней хозяина. Клетки Rhizobium, как правило, прикрепляются полярно. По мнению Даз-зо, такое прикрепление определяется лектином хозяина и специфично для системы клевер/R, trifolii. Стейси с соавт. привели аналогичные данные в отношении R. japonicum на корнях сои. Однако мы установили, что и R. trifolii, и R. japonicum могут прикрепляться полярно к корням сои, причем при вполне сравнимых количестве и плотности (Терджен и Бауэр, не-опубл. данные). Характер прикрепления обоих видов практически не различался в условиях наших экспериментов. Независимо от того, является присоединение специфическим или неспецифическим, а иногда промежуточным, приходится признавать, что пока ничего не известно ни о клеточных и молекулярных компонентах, обусловливающих прикрепление, ни о механизмах действия этих компонентов.

Второе проявление инфекционного процесса - индукция скручивания корневых волосков. Функция этого явления заключается, по-видимому, в защемлении клеток Rhizobium в пространстве между двумя поверхностями клеточных стенок изогнутого корневого волоска. До сих пор никому не удалось определить вещества, индуцирующие скручивание или ветвление корневых волосков, не изучены и механизмы, с помощью которых происходит скручивание.

Третье проявление инфекционного процесса - формирование инфекционной нити. Недавние исследования Каллахэма дали очень важную информацию об этом процессе. Он предложил три возможных модели проникания Rhizobium в клетку хозяина:

Локальная инвагинация клеточной стенки корневого волоска;

Локальное разрушение клеточной стенки волоска с помощью индуцированных ферментов самого хозяина и синтез инфекционной нити;

Локальное разрушение клеточной стенки корневого волоска ферментами Rhizobium и синтез инфекционной нити.

Результаты исследований Каллахэма убедительно показали, что процесс инфицирования клевера бактерией R. trifolii включает локальное разрушение клеточных стенок корневых волосков вблизи от захваченных бактерий, связанное с локальным отложением нового слоя неидентифицированного материала, из которого формируется инфекционная нить. Это отложение очень напоминает образование футляра (чехла) вокруг инфицирующих гиф патогенных грибов. Цитологические исследования Каллахэма позволили исключить гипотезу об инвагинации клеточной стенки корневого волоска, однако не дали решения вопроса о том, чьими ферментами вызывается локальное разрушение клеточных стенок - ферментами хозяина или бактерии? Некоторые сообщения поддерживают оба возможных варианта, но не дают определенного ответа.

Множество вопросов, касающихся дальнейших этапов инфекционного процесса, также до сих пор не решено. Например, как может инфекционная нить проникать в клетку хозяина против ее тургорного давления? Почему (и как) кончик растущей инфекционной нити следует за движением ядра в клетке корневого волоска? Как инфекционная нить проникает в соседние кортикальные клетки? Каким образом стимулируется деление кортикальных клеток при развитии инфекционного процесса, вызываемого прониканием нити? Как могут клубеньковые бактерии избегать нормальных защитных реакций растений-хозяев или подавлять их?

К сожалению, серьезные методологические сложности мешают детальному изучению более ранних этапов инфекционного процесса. Сложности возникают из-за того, что в процессе инокуляции обычно участвует около 100 тыс. клеток бактерий и около 10 тыс. корневых волосков, однако инфекционный процесс инициируется не более чем в 100 случаях и лишь около 10 случаев инфекции завершается формированием клубеньков. Поэтому трудно рассмотреть механизмы или неиз-вестные этапы инфекционного процесса в 10 успешных или в целом в 100 случаях инфицирования корневых волосков на фоне 10 тыс. или даже большего количества неудачных или невосприимчивых взаимодействий хозяина и Rhizobium.

Рис. 4. Диаграмма, показывающая фазы инфекционного процесса, вызываемого клубеньковыми бактериями. Клубеньковые бактерии, заключенные в пространство между двумя поверхностями изогнутого корневого волоска, разрушают клеточную стенку хозяина (а), вызывают синтез нового слоя материала со стороны цитоплазмы клеточной стенки хозяина (б) и проникают через частичио разрушенную клеточную стенку корневого волоска в инфекциониую нить, сформировавшуюся из вновь отложившегося слоя (в).

Локализация инфицируемых клеток на корнях растения-хозяина

Для облегчения методики изучения биохимических механизмов процессов распознавания и инфицирования мы недавно решили определить, какие клетки корня хозяина восприимчивы к инфекции. Проростки растений выращивали в пластиковых пакетах, что позволяло вести визуальное наблюдение за развивающимися корнями. Положение кончиков корней (КК) и зоны образования корневых волосков отмечали на пластике в момент внесения инокулюма. Спустя неделю после инокуляции определяли положение каждого клубенька с учетом сделанных отметок. Если учесть перемещение эпидермальных клеток во время роста корня, можно вычислить положение и фазу развития тех клеток корня, которые были восприимчивы к инфицированию в момент инокуляции клубеньковыми бактериями. Графики (рис. 5. 5) четко показывают, что клубеньки наиболее часто образовывались на тех участках корней, которые находились непосредственно под зоной корневых волосков и над зоной быстрого растяжения. Относительно мало клубеньков формировалось в зоне развивающихся волосков корня, а на участках корней, в момент инокуляции покрытых зрелыми волосками, их вообще не было. Таким образом, способность к формированию клубеньков ограничена определенными фазами развития корней и кратковременностью существования клеток-мишеней, восприимчивых к бактериям. Эксперименты с более поздней инокуляцией сон показали, что весь участок корня выше кончика заметно теряет восприимчивость через 4-6 ч. У других видов бобовых способность к образованию клубеньков также кратковременна и ограничена определенными фазами развития.

Эти данные представляют несомненный теоретический и практический интерес. Например, капельки ино-кулирующей суспензии объемом в нанолитр, содержащие лишь несколько клеток клубеньковых бактерий, можно наносить непосредственно на участок наибольшей восприимчивости корня, и развитие Rhizobium произойдет именно в точке инокуляции. Этот метод позволил нам использовать электронный микроскоп для изучения самых ранних процессов, которые происходят еще до образования инфекционной нити, скручивания корневых волосков или каких-либо иных показателей начала инфекции, заметных в световом микроскопе. Проведение таких исследований возможно только при достаточной уверенности в том, что корневые волоски, взятые для приготовления ультратонких срезов, пригодны для этой цели и будут инфицированы клубеньковыми бактериями.

Рис. 5. Частота образования клубеньков в различных зонах корней сои, инокулированных штаммом 110 R. japonicum. Растения выращивали в пластиковых пакетах, на поверхности которых были сделаны отметки, показывающие положение коичика корня (RT) и место наименьшего развития корневых волосков (SERH). Корни приблизительно 120 растений исследовали через неделю после инокуляции, определяя относительное (%) расстояние от каждого клубенька, образовавшегося на первичном корне, до RT. Для более легкого определения относительного положения неинфицированных клеток кория во время инокуляции рассчитано перемещение эпидермальных клеток относительно RT.

Вещества, влияющие на интенсивность начальных процессов инфекции

Не менее интересный аспект исследований темпов развития восприимчивости бобовых растений к клубеньковым бактериям состоит в том, что в настоящее время появилась возможность изучать факторы, влияющие на скорость инициации успешного инфицирования. Число клубеньков, развивающихся над кончиком корня (RT) выше сделанной на пластике отметки, служит прекрасным количественным параметром развития инфекции. Например, Бхагват (личное сообщение) недавно обнаружил, что образование клубеньков некоторыми ризобиями на корнях коровьего гороха происходит непосредственно под меткой, если бактерии культивировали на среде вместе с корнями хозяина перед инокуляцией. Эти результаты позволяют предположить, что Rhizobium могут адаптироваться или отвечать каким-то образом на вещества, выделяемые из корня хозяина, прежде чем они приобретут способность к инфицированию.

У сои можно наблюдать обратное явление. Образование клубеньков на корнях сои выше отметки RT мало зависит от предварительного культивирования R. japonicum в корневых экссудатах хозяина. Однако образование клубеньков с максимальной частотой происходит ниже зоны развития корневых волосков, хотя даже цитологические исследования показали, что инфекция, приводящая к образованию клубеньков, происходит через короткие, только начинающие развиваться корневые волоски. Различия между локализацией ожидаемой и действительной зоны максимального образования клубеньков привели нас к заключению о наличии определенного лаг-периода между временем первого взаимодействия клеток корней с бактериями и временем начала успешного инфекционного процесса в них. Очевидно, этот лаг-период можно сократить, предварительно обработав корни клеточным полисахаридом клубеньковых бактерий. N-ацетилгалактоза, возможный полисахаридный гаптен лектина сон, также эффективен в этом отношении. Такие эксперименты трудны для точного воспроизведения, но нам удалось найти способы, позволяющие контролировать большую часть меняющихся показателей.

Относительное расстояние между клубеньками и меткой у кончика корня (RT)

Рис.6. Влияние экссудатов коровьего гороха на развитие клубеньковых бактерий:

1 бактерии на экссудатах корней; 2 - бактерии на синтетической питательной среде.

Рис. 7. Влияние бесклеточ-ного фильтрата Rhizobium tri-folii на образование клубеньков в зоне зрелых корневых волосков у клевера. Корни клевера предварительно обработали 100 мкл воды (4) или культурального фильтрата в течение 6, 14 и 24 ч (на графике - 1, 2, 3 соответственно) до внесения инокулюма. Число клубеньков. образовавшихся в зоне корней со зрелыми корневыми волосками в момент инокуляции, определяли ежедневно в течение недели.

Аналогичное явление отмечено и в корнях клевера. Если культуру R. trifolii отмыть, ресуспендировать в дистиллированной воде в течение часа и затем отфильтровать, то свободный от клеток фильтрат заметно сокращает время, необходимое для образования клубеньков в зоне зрелых корневых волосков, при обработке корней этим фильтратом перед инокуляцией. Интересно отметить, что такая же обработка корней клевера не отражалась заметно на времени образования клубеньков в зоне без корневых волосков.

Фильтрат действует на образование клубеньков только в зоне зрелых корневых волосков, очевидно, влияя на второй тип инфекции, характерный для клевера, но не отмеченный у сои, коровьего гороха или люцерны.

Активные соединения, присутствующие в фильтратах суспензий R. trifolii или в корневых экссудатах коровьего гороха, до сих пор не идентифицированы. Тем не менее обнаружение их действия подтверждает точку зрения на то, что взаимное распознавание клубеньковых бактерий и их хозяев представляет комплекс реакций, происходящих между симбионтами по типу сигнал - ответ.

Инфекционная способность клеток RHIZOBIUM

К инфицированию ризобиями восприимчивы только определенные клетки корней бобовых, причем восприимчивость зависит от времени и фазы развития растения. Что же можно сказать о клубеньковых бактериях? Зависит ли инфекционная способность Rhizobium от времени, фазы развития или среды? Влияние корневых экссудатов коровьего гороха на формирование клубеньков ризобиями позволяет предположить, что, по крайней мере, некоторые виды бактерий должны подвергаться определенным изменениям, прежде чем они будут способны вызвать инфекцию. Конечно, даже в одной культуре клетки Rhizobium могут отличаться друг от друга множеством признаков. Например, они могут иметь разные способность к инкапсуляции, подвижность, фазы клеточных циклов, число полярных телец. Возможно, что инфекционная способность зависит от одного или нескольких подобных специфических признаков. Из вышеприведенных данных следует, что в отличие от синтеза ЭПС инкапсуляция сама по себе, видимо, не связана с инфекционной способностью. По данным недавних исследований, инфекционная способность клубеньковых бактерий не зависит от их подвижности.

Работы, проведенные в нашей лаборатории, позволили установить, что инфекционность R. japonicum в значительной мере зависит от возраста культуры. Культуры штаммов 110 и 138 R. japonicum, достигнув фазы стационарного роста, быстро теряли способность вызывать образование клубеньков выше отметки RT. Очевидно, в этой фазе бактерии в меньшей мере готовы или способны вызвать инфекционный процесс во время инокуляции, чем клетки в экспоненциальной фазе. Основа этого изменения к концу экспоненциальной фазы не известна. Изучение влияния дозы инокулюма на процесс образования клубеньков показало, что культуры штамма 110 R. japonicum, находящиеся в ранней или поздней фазе стационарного роста, могут индуцировать образование клубеньков так же быстро и интенсивно, как и культуры в фазе экспоненциального роста, однако для инокуляции растений необходимо большее количество инокулюма старых культур.

Следовательно, различия в инфекционной способности между культурами бактерий в экспоненциальной или стационарной фазе роста являются скорее количественными, чем качественными. Находящиеся в стационарной фазе роста культуры, по-видимому, содержат в пропорциональном отношении меньшее число клеток, способных быстро вызывать инфекцию.

Заслуживает внимания еще один аспект образования симбиотических ассоциаций. Графики частот образования клубеньков показывают ослабление интенсивности этого процесса в нижних участках корней, которые в момент инокуляцин были на 5- 10 ч моложе, чем участки с максимальной активностью образования клубеньков. Очевидно, растения сои обладают быстродействующим регуляторным механизмом, служащим для предупреждения развития излишнего числа клубеньков на корнях. Второе возможное объяснение состоит в том, что убывание числа клубеньков в нижних участках корней может быть связано с уменьшением числа бактерий, приходящихся на долю этих частей. Однако, если эти же корни повторно инокулировали спустя 10-12 ч после первого нанесения бактерий, никаких изменений в образовании клубеньков не происходило, т. е. необходимости в повышении численности бактерий не было. В то же время если первичный инокулюм был нанесен только на верхнюю часть корня без корневых волосков и на зону молодых, развивающихся волосков, где удлинение корня полностью или большей частью завершено, то вторичная инокуляция вызывала формирование новых клубеньков. Этот эксперимент показывает, что быстродействующий регуляторный механизм в растении сон включает в себя некоторые типы взаимодействий между Rhizobium и теми клетками хозяина, которые локализованы в зоне быстрого удлинения корня вблизи от его кончика.

Наличие быстродействующего регуляторного механизма в растениях сои и, возможно, коровьего гороха и люцерны создает дополнительный уровень сложности и организации в динамическом влиянии фаз развития и окружающей среды на раннее развитие и успех инфекций клубеньковыми бактериями.

Используемая литература: Инфекционные болезни растений: физиологические и биохимические основы/Пер. с англ. Л. Л. Великанова, Л. М. Левкиной,
В. П. Прохорова, И. И. Сидоровой; Под ред. и с предисл.
Ю. Т. Дьякова. - М.: ВО Агропромиздат, 1985. - 367 с.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

В большом количестве ($72\%$), но он нейтрален (абсолютно недоступен для усвоения растениями).

$10\%$ растений семейства Бобовых вступают в симбиоз с бактериями (обнаружены бактерии и на корнях ольхи семейства Берёзовых).

Клубеньковые бактерии относятся к роду Rhizodium. Их основное свойство - способность фиксировать молекулярный азот из атмосферного воздуха и синтезировать органические азотсодержащие соединения. Эти бактерии, вступая в симбиоз с бобовыми растениями способны образовывать на их корнях клубеньки. Они переводят газообразный азот в соединения, легко доступные для усвоения растениями, а цветковые растения, в свою очередь, поставляют питательные вещества для бактерий. Так же данный вид бактерий играет важную роль в процессе обогащения грунта азотом.

Размер клубеньковых бактерий $0,3 - 3$ мкм. Имеют округлую форму, слизистую консистенцию, прозрачные. В отличие от других бактерий они не образуют спор, способны двигаться и для нормальной жизнедеятельности им необходим кислород.

Проникнув в корневой волосок растения бактерии стимулируют интенсивное деление клеток корня, вследствие чего и образуется клубенёк. Сами же бактерии развиваются в этих клубеньках и участвуют в процессе ассимиляции азота. Там они трансформируются, приобретая разветвлённую форму - бактероид, который и поглощают молекулярный азот, нитраты, аминокислоты и аммонийные соли. Как источник углерода для клубеньковых бактерий служат моно- и дисахариды, органические кислоты, спирты.

Растенияже поставляют бактериям жизненно необходимые питательные органические вещества. Такая форма симбиоза позитивно отражается на обоих организмах - симбионтах:

• бактерии получают возможность нормально пройти свой цикл развития;
• растение развивается нормально, получая в достаточном количестве самый необходимый минеральный элемент питания - азот.

Замечание 1

Такой источник питания растений называют биологическим, а бобовые растения - культурой, обогащающей почву (по К.А. Тимирязеву).

В отличии от большинства растений, бобовые не только не обедняют почву, но и ещё и обогащают её соединениями азота. Обогащение происходит во время выращивания бобовых растений (люпин, горох, соя, клевер, люцерна, вика, донник) и при дальнейшем разложении их корней и листьев.

После отмирания корней бобовых растений клубеньковые бактерии не гибнут, а ведут сапрофитный образ жизни.

Клубеньковые бактерии способны поглощать из атмосферного воздуха до $300$ кг азота на $1$ гектаре посевов бобовых, и при этом в почве ещё остаётся более $50$ кг азотосодержащих соединений.

Замечание 2

Разные формы бактерий имеют специфическую предрасположенность к развитию на корнях определённых представителей бобовых: Rhizodium Leguminosarum – у гороха, кормовых бобов, вики; Rh. Meliloti - у донника, люцерны; Rh. Japonicum - у сои; Rh. Trifolium - у клевера.

Значение и перспективы симбиоза бактерий и бобовых растений

Этот тип симбиоза очень важен в природе и, особенно, во время выращивания растений, потому что обеспечивает их повышенную питательность и урожайность, а одновременно - обновление почвы и повышение её плодородия.

Бобовые растения являются основой современного альтернативного земледелия - без использования удобрений или же с внесением их в незначительных дозах.

К.А. Тимирязев отметил, что бобовые растения проникли всюду, куда только достигают здравые сельскохозяйственные понятия. Но вряд ли найдётся в истории много открытий, которые бы оказались такими полезными для человечества, как использование клевера и вообще бобовых растений в севообороте, чтобы иметь возможность так разительно увеличивать продуктивность сельского хозяйства.

Бобовые растения в наше время широко культивируются во всём мире. Значение их велико и будет оставаться таковым и даже возрастать, так ка они - источник экологического и экономического (фактически бесплатного) азота.

В $XXI$ столетии при наличии высокоразвитых технологий производства минеральных удобрений (важнейшие из них - азотные), до двух третей азота, использованного в мировом сельском хозяйстве, поступает из биологических источников, в основном за счёт бобовых растений и их симбионтов - клубеньковых бактерий-азотфиксаторов. Именно в в клубеньках происходит наиболее важная для симбиоза биохимическая реакция: оновление молекулярного азота воздуха до нитратов, а потом - до аммония.

Используя результаты современных исследований взаимоотношений бактерий-симбионтов с растениями микробиологи предложили на перспективу важное задание - определение путей создания сообществ для улучшения минерального питания растений биологическим азотом. Этот симбиоз является системой с разными взаимодействиями, большинство из которых связано с повышением генетической пластичности организмов, что и может привести даже к появлению принципиально новых форм жизни. Такую возможность природе предоставляет симбиоз, и это является существенной составляющей частью нового современного учения о симбиозе.

Замечание 3

С целью повышения количества клубеньковых бактерий и, соответственно, урожайности бобовых культур, при посеве в почву добавляют специальное бактериальное средство - нитрагин (происходит искусственное заражение семян клубеньковыми бактериями.