Bacteriile nodulare sunt capabile să se asimileze. Bacteriile nodulare sunt organisme simbiotice fixatoare de azot.

Bacteriile nodulare au fost primul grup de microbi fixatori de azot cunoscuți de omenire.

În urmă cu aproximativ 2.000 de ani, fermierii au observat că cultivarea leguminoaselor a redat fertilitatea solului sărăcit. Această proprietate specială a leguminoaselor a fost asociată empiric cu prezența unor noduli sau noduli particulari pe rădăcinile lor, dar pentru o lungă perioadă de timp ei nu au putut explica motivele acestui fenomen.

A fost nevoie de mult mai multe cercetări pentru a demonstra rolul leguminoaselor și al bacteriilor care trăiesc pe rădăcinile lor în fixarea azotului gazos atmosferic. Dar treptat, prin munca oamenilor de știință din diferite țări, natura a fost dezvăluită și proprietățile acestor creaturi minunate au fost studiate în detaliu.

Bacteriile nodulare trăiesc cu plantele leguminoase în simbioză, adică își aduc beneficii reciproce: bacteriile absorb azotul din atmosferă și îl transformă în compuși care pot fi utilizați de plante și, la rândul lor, furnizează bacteriilor substanțe care conțin carbon, care rănile absorb din aer sub formă de dioxid de carbon.

În afara nodulilor de pe medii nutritive artificiale, bacteriile nodulare se pot dezvolta la temperaturi de la 0 la 35°C, iar temperaturile de ordinul 20–31°C sunt cele mai favorabile (optimale) pentru acestea. Cea mai bună dezvoltare a microorganismelor se observă de obicei într-un mediu neutru (la un pH de 6,5-7,2).

În cele mai multe cazuri, reacția acidă a solului afectează negativ activitatea vitală a bacteriilor nodulare; în astfel de soluri se formează rase ale acestora inactive sau ineficiente (nu fixează azotul în aer).

Primii cercetători ai bacteriilor nodulare au presupus că acești microbi se pot stabili pe rădăcinile majorității tipurilor de leguminoase. Dar apoi s-a constatat că au un anumit specific, au „gusturile” proprii și „închiriază” viitoarea „locuință” în strictă concordanță cu nevoile lor. Una sau alta rasă de bacterii nodulare poate intra în simbioză cu plantele leguminoase doar dintr-o anumită specie.

În prezent, bacteriile nodulare sunt împărțite în următoarele grupe (în funcție de plantele gazdă pe care se așează):

• bacterii nodulare de lucernă și trifoi dulce;
• bacterii nodulare de trifoi;
• bacterii nodulare de rădăcină de mazăre, măzărie, bărbie și fasole furajeră;
• bacterii cu noduli de soia;
• bacterii nodulare de lupin și seradella;
• bacterii nodulare de fasole;
• bacterii nodulare de arahide, cowpea, cowpea etc.

Trebuie spus că specificitatea bacteriilor nodulare în diferite grupuri nu este aceeași. „Chiriașii” pretențioși își pierd uneori scrupulozitatea. În timp ce bacteriile cu nodul de trifoi se disting printr-o specificitate foarte strictă, nu același lucru se poate spune despre bacteriile cu nodul de mazăre.

Capacitatea de a forma noduli nu este caracteristică tuturor leguminoaselor, deși, în general, este larg răspândită printre reprezentanții acestei familii uriașe. Din cele 12 mii de specii de leguminoase, au fost studiate special 1063. S-a dovedit că 133 dintre ele nu au fost capabile să formeze noduli.

Capacitatea de a simbioza cu fixatorii de azot nu pare a fi unică leguminoase, deși acestea sunt singurele culturi importante de fixare a azotului în agricultură. S-a stabilit că azotul atmosferic este legat de bacteriile care trăiesc în noduli de pe rădăcinile rădăcinilor, cătinii, ciobanilor, pinului radiant, crapului, ariciului, plantelor subtropicale din genul casuarina. Capabil să fixeze azotul și bacteriile care trăiesc în nodurile frunzelor unor arbuști tropicali.

Fixarea azotului este efectuată și de actinomicetele care trăiesc în nodulii rădăcinilor de arin și, eventual, de ciupercile care trăiesc în rădăcinile raigrasului și a unor plante de erica.

Dar pentru agricultură, desigur, leguminoasele sunt de cel mai mare interes practic. Majoritatea plantelor non-leguminoase notate nu au valoare agricolă.

Întrebarea este foarte importantă pentru practică: cum trăiesc bacteriile nodulare în sol înainte de a infecta rădăcinile?

Se pare că rizobiile pot persista în sol foarte mult timp în absența „gazdelor” - plante leguminoase. Să luăm un exemplu. În Academia Agricolă din Moscova, numită după K. A. Timiryazev, există câmpuri stabilite de D. N. Pryanishnikov. Pe ele se cultivă aceleași culturi agricole de la an la an și se păstrează o pârghie permanentă, pe care nu s-a cultivat nicio plantă de aproape 50 de ani. O analiză a solurilor acestei pârghii și a câmpului de secară permanentă a arătat că bacteriile nodulare se găsesc în cantități semnificative în ele. Sub secară permanentă sunt mai multe decât într-o pereche.

În consecință, rizobiile supraviețuiesc relativ bine în absența plantelor leguminoase și pot aștepta foarte mult timp pentru a le întâlni. Dar în aceste condiții, își pierd capacitatea remarcabilă de a repara buncărul. Cu toate acestea, bacteriile cu „plăcere” își opresc „modul liber de viață”, de îndată ce o plantă leguminoasă potrivită le găsește în cale, ele pătrund imediat în rădăcini și își creează casele de noduli.

Trei factori iau parte la procesul complex de formare a nodulilor: două organisme vii - bacterii și plante, între care se stabilesc relații simbiotice strânse și condițiile de mediu. Fiecare dintre acești factori este un participant activ în procesul de formare a nodulilor.

Una dintre caracteristicile importante ale bacteriilor nodulare este capacitatea lor de a secreta așa-numitele substanțe stimulatoare; aceste substanțe determină creșterea rapidă a țesuturilor radiculare.

Cealaltă caracteristică esențială a acestora este capacitatea de a pătrunde în rădăcinile anumitor plante și de a provoca formarea de noduli, cu alte cuvinte, capacitatea lor infecțioasă, care, așa cum sa menționat deja, este diferită pentru diferite rase de bacterii nodulare.

Rolul unei plante leguminoase în formarea nodulilor este determinat de capacitatea plantelor de a secreta substanțe care stimulează sau inhibă dezvoltarea bacteriilor.

Susceptibilitatea unei plante leguminoase la infecția cu bacterii nodulare este foarte influențată de conținutul de carbohidrați și substanțe azotate din țesuturile sale. Abundența carbohidraților în țesuturile unei plante leguminoase stimulează formarea de noduli, în timp ce creșterea conținutului de azot, dimpotrivă, inhibă acest proces. Astfel, cu cât raportul C/N în plantă este mai mare, cu atât dezvoltarea nodulilor este mai bună.

Interesant este că azotul conținut în țesuturile plantei, așa cum ar fi, interferează cu introducerea azotului „străin”.

Cel de-al treilea factor - condițiile externe (iluminare, baterii etc.) are, de asemenea, un impact semnificativ asupra formării nodulilor.

Dar să revenim la caracterizarea anumitor tipuri de bacterii nodulare.

Capacitatea infecțioasă sau capacitatea de a forma noduli nu indică întotdeauna cât de activ bacteriile nodulare fixează azotul atmosferic. „Performanța” bacteriilor nodulare în fixarea azotului este adesea denumită eficiența lor. Cu cât eficiența este mai mare, cu atât eficiența acestor bacterii este mai mare, cu atât sunt mai valoroase pentru plantă și, prin urmare, pentru agricultură în general.

Rase de bacterii nodulare se găsesc în sol, eficiente, ineficiente și de tranziție între aceste două grupuri. Infecția plantelor leguminoase cu o rasă eficientă de bacterii nodulare promovează fixarea activă a azotului. O cursă ineficientă provoacă formarea de noduli, dar fixarea azotului nu are loc în ei, prin urmare, materialul de construcție este irosit în zadar, planta își hrănește „oaspeții” degeaba.

Există diferențe între rase eficiente și ineficiente de bacterii nodulare? Până acum, nu au fost găsite astfel de diferențe de formă sau comportament pe mediile nutritive artificiale. Dar nodulii formați din rase eficiente și ineficiente prezintă unele diferențe. De exemplu, există o opinie că eficiența este legată de volumul țesuturilor radiculare infectate cu bacterii (la rasele eficiente este de 4-6 ori mai mare decât la cele ineficiente) și de durata de funcționare a acestor țesuturi. În țesuturile infectate cu bacterii eficiente, se găsesc întotdeauna bacterii și un pigment roșu, care este destul de identic cu hemoglobina din sânge. Se numește leghemoglobină. Nodulii ineficienți au un volum mai mic de țesut infectat, le lipsește leghemoglobină, bacteriile nu sunt întotdeauna detectate și arată diferit față de nodulii eficienți.

Aceste diferențe morfologice și biochimice sunt folosite pentru a izola rase eficiente de bacterii nodulare. De obicei, bacteriile izolate din noduli mari, bine dezvoltati, cu o culoare roz, sunt foarte eficiente.

S-a spus deja mai sus că „lucrarea” bacteriilor nodulare și „eficiența” acesteia depind de o serie de condiții externe: temperatura, aciditatea mediului (pH), iluminarea, alimentarea cu oxigen, conținutul de nutrienți din sol etc.

Efectul condițiilor externe asupra fixării azotului atmosferic de către bacteriile nodulului radicular poate fi ilustrat prin câteva exemple. Deci, un rol semnificativ în eficiența fixării azotului îl joacă conținutul de nitrați și săruri de amoniu din sol. În fazele inițiale ale dezvoltării leguminoaselor și formării nodulilor, prezența unor cantități mici din aceste săruri în sol are un efect benefic asupra comunității simbiotice; iar mai târziu aceeași cantitate de azot (în special forma sa de nitrat) inhibă fixarea azotului.

În consecință, cu cât solul este mai bogat cu azot disponibil plantei, cu atât mai slab se realizează fixarea azotului. Azotul conținut în sol, precum și în corpul plantei, parcă, împiedică atragerea de noi porțiuni din atmosferă. Printre alți nutrienți, molibdenul are un efect vizibil asupra fixării azotului. Când acest element de azot este adăugat în sol, se acumulează mai mult. Acest lucru se explică, aparent, prin faptul că molibdenul face parte din enzimele care fixează azotul atmosferic.

S-a stabilit acum cu încredere că leguminoasele cultivate în soluri care conțin o cantitate insuficientă de molibden se dezvoltă satisfăcător și formează noduli, dar nu absorb deloc azotul atmosferic. Cantitatea optimă de molibden pentru fixarea eficientă a azotului este de aproximativ 100 g de molibdat de sodiu la 1 ha.

Rolul leguminoaselor in imbunatatirea fertilitatii solului

Deci, leguminoasele sunt foarte importante pentru imbunatatirea fertilitatii solului. Acumulând azot în sol, ele împiedică epuizarea rezervelor acestuia. Rolul leguminoaselor este deosebit de mare in acele cazuri cand sunt folosite pentru ingrasaminte verzi.

Dar practicienii agriculturii, desigur, sunt interesați și de latura cantitativă. Cât de mult azot se poate acumula în sol la cultivarea anumitor leguminoase? Cât azot rămâne în sol dacă recolta este complet îndepărtată de pe câmp sau dacă leguminoasele miroase a gunoi de grajd verde?

Se știe că în cazul infectării leguminoaselor cu rase eficiente de bacterii nodulare, acestea pot fixa de la 50 până la 200 kg de azot la hectar de cultură (în funcție de sol, climă, specii de plante etc.).

Potrivit celebrilor oameni de știință francezi Pochon și De Bergac, în condiții normale de câmp, leguminoasele fixează aproximativ următoarele cantități de azot (în kg/ha):

Reziduurile de rădăcină ale plantelor leguminoase anuale și perene în diferite condiții de cultură și pe diferite soluri conțin cantități diferite de azot. În medie, lucerna lasă anual în sol aproximativ 100 kg de azot la hectar. Trifoiul și lupinul pot stoca aproximativ 80 kg de azot legat în sol, leguminoasele anuale lasă până la 10-20 kg de azot la hectar în sol. Luând în considerare suprafețele ocupate de leguminoase în URSS, microbiologul sovietic E. N. Mishustin a calculat că acestea returnează anual în câmpurile țării noastre circa 3,5 milioane de tone de azot. Spre comparație, menționăm că întreaga noastră industrie în 1961 producea 0,8 milioane de tone de îngrășăminte cu azot, iar în 1965 va produce 2,1 milioane de tone.Astfel, azotul extras din aer de către leguminoase în simbioză cu bacteriile ocupă o poziție de lider în azotul. echilibrul agriculturii din tara noastra.

Distribuția bacteriilor nodulare în natură

Fiind organisme simbiotice, bacteriile nodulare se răspândesc în sol, însoțind anumite tipuri de plante leguminoase. După distrugerea nodulilor, celulele bacteriilor nodulare intră în sol și încep să existe în detrimentul diferitelor substanțe organice, ca și alte microorganisme din sol. Distribuția aproape omniprezentă a bacteriilor nodulare este dovada gradului lor ridicat de adaptabilitate la diverse condiții de sol și climat, capacitatea de a duce un mod de viață simbiotic și saprofit.

Schematând datele disponibile în prezent despre distribuția bacteriilor nodulare în natură, putem face următoarele generalizări.

În solurile virgine și cultivate, bacteriile nodulare ale acelor specii de plante leguminoase care se găsesc în flora sălbatică sau care au fost cultivate de mult timp într-o anumită zonă sunt de obicei prezente în cantități mari. Numărul de bacterii nodulare este întotdeauna cel mai mare în rizosfera plantelor leguminoase, ceva mai puțin în rizosfera altor specii și puține în sol departe de rădăcini.

Atât bacteriile nodulare eficiente, cât și cele ineficiente se găsesc în sol. Există multe dovezi că existența saprofită pe termen lung a bacteriilor nodulare, în special în solurile cu proprietăți nefavorabile (acide, saline), duce la scăderea și chiar pierderea activității bacteriene.

Orez. 1 - Noduli pe rădăcinile de arin (după J. Becking)

Infectarea încrucișată a diferitelor specii de plante leguminoase duce adesea în natură și în practica agricolă la apariția unor noduli pe rădăcini care nu fixează activ azotul molecular. Acest lucru, de regulă, depinde de absența tipurilor corespunzătoare de bacterii nodulare din sol.

În special, acest fenomen este observat atunci când se utilizează specii noi de plante leguminoase, care fie sunt infectate cu specii ineficiente de bacterii Cross-group, fie se dezvoltă fără noduli.

Orez. 2 - Noduli pe rădăcinile tribulusului (după O. Allen)

Bacteriile nodulare sunt folosite pentru producția industrială de nitragină, care este folosită pentru a trata semințele plantelor leguminoase. Au fost descoperite pentru prima dată de M. S. Voronin în 1866. Mai târziu, M. V. Beyerink (1888) le-a izolat în cultură pură și a fost studiată în detaliu de microbiologi și fiziologi. Bacteriile pătrund în rădăcinile plantelor leguminoase prin părul rădăcinii și pătrund în tegumentul interior al rădăcinii, în parenchim, determinând creșterea diviziunii și proliferării celulare. Pe rădăcini se formează creșteri urâte, numite noduli, sau noduli. La început, bacteriile absorb nutrienții plantei și inhibă oarecum creșterea acesteia. Apoi, pe măsură ce țesutul nodulului crește, se stabilește o simbioză între bacterii și plantele superioare. Bacteriile primesc alimente carbonice (zahăr) și minerale de la plantă și, în schimb, îi furnizează compuși azotați.

Bacteriile nodulare se instalează în sol, se înmulțesc și pătrund în celulele rădăcinii prin găurile din firele de păr ale plantelor leguminoase. În celule are loc o reproducere crescută a bacteriilor nodulare și în paralel are loc o diviziune intensivă a celulelor radiculare infectate cu bacterii nodulare.

Bacteriile nodulare furnizează plantei leguminoase cu azot. Planta folosește acest azot legat și, la rândul său, furnizează bacteriilor nodulare materia organică care conține carbon de care au nevoie. Bacteriile nodulare pot folosi diferite zaharuri și alcooli ca sursă de carbon.

Bacteriile nodulare sunt microaerofile (se dezvoltă cu cantități mici de oxigen în mediu), dar preferă condiții aerobe. Bacteriile nodulare care au apărut din firul de infecție continuă să se înmulțească în țesutul gazdă. Cea mai mare parte a bacteriilor se înmulțește în citoplasma celulei și nu în firul de infecție. Se dezvoltă cel mai intens atunci când reacția solului este aproape neutră. Prin urmare, la însămânțarea leguminoaselor pe soluri acide, împreună cu inocularea semințelor, este necesară vararea solului. Inocularea fără varare are un efect foarte mic asupra producției și conținutului de proteine.

Bacteriile nodulare sunt capabile, în condiții favorabile, să acumuleze până la 200–300 kg/ha de azot într-un sezon.

Bacteriile tinere nodulare în cultură pură pe medii nutritive au de obicei o formă de tijă (Fig. 2, 3), dimensiunea tijelor este de aproximativ 0 5 - 0 9 X 1 2 - 3 0 μm, mobile, se înmulțesc prin diviziune

Pe lângă bacteriile nodulare, în sol trăiesc și alte microorganisme care pot asimila azotul liber din aer; nu trăiesc pe rădăcinile plantelor, ci în apropierea acestora. Toți ceilalți nutrienți de care au nevoie acești microbi, ei absorb singuri, și nu în detrimentul sucurilor de plante, așa cum este inerent plantelor cu noduli. Azotobacter este cel mai important microorganism care trăiește în sol, capabil să asimileze azotul atmosferic. Aceste bacterii pot trăi în condiții favorabile de umiditate, flux bun de aer, temperatură adecvată și aciditate a solului. Cerințele Azotobacter la regimul termic și umiditatea solului sunt aproximativ aceleași cu cele ale plantelor cultivate, dar este mai sensibil la aciditatea solului decât majoritatea plantelor.

Dovezile paleontologice sugerează că unele plante aparținând grupului Eucaesalpinioideae erau cele mai vechi leguminoase care aveau noduli.

La speciile moderne de plante leguminoase s-au găsit noduli pe rădăcinile multor membri ai familiei Papilionaceae.

Reprezentanții filogenetic mai primitivi ai unor familii precum Caesalpiniaceae, Mimosaceae, în cele mai multe cazuri nu formează noduli.

Din cele 13.000 de specii (550 de genuri) de plante leguminoase, prezența nodulilor a fost identificată până acum doar la aproximativ 1300 de specii (243 de genuri). Acestea includ în primul rând speciile de plante utilizate în agricultură (mai mult de 200).

După ce au format noduli, leguminoasele dobândesc capacitatea de a absorbi azotul atmosferic. Cu toate acestea, ei sunt capabili să se hrănească cu forme legate de azot - săruri de amoniu și acid azotic. O singură plantă, Hedysarum coronarium, asimilează doar azotul molecular. Prin urmare, fără noduli în natură, această plantă nu apare.

Bacteriile nodulare furnizează plantei leguminoase cu azot, care este fixat din aer. Plantele, la rândul lor, furnizează bacteriilor produse pentru metabolismul carbohidraților și săruri minerale de care au nevoie pentru creștere și dezvoltare.

În 1866, faimosul botanist și cercetător al solului M.S. Voronin a văzut cele mai mici „corpuri” în nodulii de pe rădăcinile plantelor leguminoase. Voronin a prezentat presupuneri îndrăznețe pentru acea perioadă: a legat formarea nodulilor de activitatea bacteriilor și diviziunea crescută a celulelor țesutului radicular cu reacția plantei la bacteriile care au pătruns în rădăcină.

20 de ani mai târziu, omul de știință olandez Beijerin a izolat bacteriile din nodulii de mazăre, măzică, chiny, fasole, seradella și acadea și a studiat proprietățile acestora, verificând capacitatea de a infecta plantele și de a provoca formarea de noduli. El a numit aceste microorganisme Bacillus radicicola. Deoarece bacteriile care formează spori aparțin genului Bacillus, iar bacteriile nodulare nu au această capacitate, A. Prazhmovsky le-a redenumit Bacterium radicicola. B. Frank a propus o denumire generică mai reușită pentru bacteriile nodulare - Rhizobium (din grecescul rhizo - rădăcină, bio - viață; viața pe rădăcini). Acest nume a prins rădăcini și este încă folosit în literatură.

Pentru a desemna o specie de bacterii nodulare, se obișnuiește să se adauge la denumirea generică Rhizobium un termen corespunzător denumirii latinești a speciei de plante din ai cărei noduli sunt izolate și pe care pot forma noduli. De exemplu, Rhizobium trifolii - bacterii nodulare de trifoi, Rhizobium lupini - bacterii nodulare de lupin, etc. În cazurile în care bacteriile nodulare sunt capabile să formeze noduli pe rădăcinile diferitelor tipuri de plante leguminoase, adică să provoace așa-numita infecție încrucișată, numele speciei este ca și cum ar fi colectiv - reflectă tocmai această capacitate de „infectare încrucișată”. De exemplu, Rhizobium leguminosarum - bacterii nodulare de mazăre (Pisum), linte (Lens), ranguri (Lathyrus).

Morfologia și fiziologia bacteriilor nodulare. Bacteriile nodulare se caracterizează printr-o varietate uimitoare de forme - polimorfism. Mulți cercetători au atras atenția asupra acestui lucru atunci când au studiat bacteriile nodulare în cultură pură în condiții de laborator și sol. Bacteriile nodulare pot fi în formă de tijă și ovale. Printre aceste bacterii există și forme filtrabile, forme L, organisme cocoide imobile și mobile.

Bacteriile tinere nodulare în cultură pură pe medii nutritive au de obicei o formă în formă de tijă (Fig. 143, 2, 3), dimensiunea tijelor este de aproximativ 0,5-0,9 X 1,2-3,0 microni, mobile, se înmulțesc prin diviziune. În celulele în formă de tijă ale bacteriilor nodulare ale trifoiului, se observă diviziunea prin ligatură. Odată cu vârsta, celulele în formă de baston se pot deplasa la înmugurire. Potrivit Gram, celulele se colorează negativ, structura lor ultrafină este tipică bacteriilor gram-negative (Fig. 143, 4).

Odată cu înaintarea în vârstă, bacteriile nodulare își pierd mobilitatea și trec în starea așa-numitelor tije cu brâu. Ei au primit acest nume datorită alternanței secțiunilor dense și libere de protoplasmă din celule. Striația celulelor este bine detectată atunci când este privită la microscop cu lumină după tratamentul celulelor cu coloranți de anilină. Secțiunile dense de protoplasmă (brâul) sunt colorate mai rău decât spațiile dintre ele. Într-un microscop luminiscent, benzile sunt de culoare verde deschis, spațiile dintre ele nu strălucesc și arată întunecat (Fig. 143, 1). Curelele pot fi amplasate în mijlocul cuștii sau la capete. Zonarea celulelor este vizibilă și pe modelele de difracție a electronilor, dacă preparatul nu este tratat cu agenți de contrast înainte de vizualizare (Fig. 143, 3). Probabil, odată cu înaintarea în vârstă, celula bacteriană se umple cu incluziuni grase care nu percep culoarea și, ca urmare, provoacă striarea celulei. Stadiul „tijelor încinse” precede stadiul de formare a bacterioizilor - celule de formă neregulată: îngroșate, ramificate, sferice, în formă de pară și în formă de balon (Fig. 144). Termenul de „bacteroidi” a fost introdus în literatura de specialitate de J. Brunhorst în 1885, aplicându-l unor formațiuni de formă neobișnuită, mult mai mari decât celulele bacteriene în formă de baston, găsite în țesuturile nodulare.

,

Bacteroidii conțin mai multe granule de volutină și se caracterizează printr-un conținut mai mare de glicogen și grăsime decât celulele în formă de baston. Bacteroidele cultivate în medii nutritive artificiale și formate în țesuturile nodulare sunt fiziologic de același tip. Se crede că bacteriile sunt forme de bacterii cu un proces de divizare incomplet. Odată cu diviziunea celulară incompletă a bacteriilor nodulare, apar forme dihotomice de ramificare a bacteriilor. Numărul bacteriilor crește odată cu îmbătrânirea culturii; apariția lor este facilitată de epuizarea mediului nutritiv, acumularea de produse metabolice și introducerea de alcaloizi în mediu.

În culturile vechi (de două luni) de bacterii nodulare, folosind un microscop electronic, este posibil să se identifice formațiuni sferice clar definite în multe celule (Fig. 145) - artrospori. Numărul lor în celule variază de la 1 la 5.

Bacteriile nodulare ale diferitelor tipuri de plante leguminoase cresc în ritmuri diferite pe mediile nutritive. Bacteriile cu creștere rapidă includ rizobii de mazăre, trifoi, lucernă, fasole furajeră, măzică, linte, chiny, trifoi dulce, schinduf, fasole, năut și picior de pasăre; până la creștere lentă - bacterii nodulare de lupin, soia, arahide, seradella, fasole mung, cowpea, sainfoin, gose. Colonii complet formate de culturi cu creștere rapidă pot fi obținute în a 3-a - a 4-a zi de incubație, colonii de culturi cu creștere lentă - în a 7-a - a 8-a.

Bacteriile nodulare cu creștere rapidă sunt caracterizate printr-un aranjament peritric de flageli, în timp ce bacteriile cu creștere lentă sunt monotrihiale (Tabelul 42, 1-5).

În plus față de flageli, în celulele bacteriilor nodulare se formează excrescențe filamentoase și asemănătoare mărgelelor atunci când sunt crescute pe medii lichide (Tabelele 42, 43). Lungimea lor ajunge la 8-10 microni. Ele sunt de obicei localizate pe suprafața celulei peritrichial, conțin de la 4 la 10 sau mai mult pe celulă.

,

Coloniile de bacterii nodulare cu creștere rapidă au culoarea laptelui copt, adesea translucide, lipicioase, cu margini netede, moderat convexe și în cele din urmă cresc pe suprafața mediului de agar. Coloniile de bacterii cu creștere lentă sunt mai convexe, mici, uscate, dense și, de regulă, nu cresc pe suprafața mediului. Mucusul produs de bacteriile nodulare este un compus complex de tip polizaharidă, care include hexoze, pentoze și acizi uronici.

Bacteriile nodulare sunt microaerofile (se dezvoltă cu cantități mici de oxigen în mediu), dar preferă condiții aerobe.

Bacteriile nodulare folosesc carbohidrați și acizi organici ca sursă de carbon în mediile nutritive și diverși compuși minerali și organici care conțin azot ca sursă de azot. Atunci când sunt cultivate pe medii cu un conținut ridicat de substanțe care conțin azot, bacteriile nodulare își pot pierde capacitatea de a pătrunde în plantă și de a forma noduli. Prin urmare, bacteriile nodulare sunt cultivate de obicei pe extracte de plante (bulion de fasole, mazăre) sau extracte de sol. Fosforul necesar dezvoltării poate fi obținut prin bacterii nodulare din compuși minerali și organici care conțin fosfor; compușii minerali pot servi ca sursă de calciu, potasiu și alte elemente minerale.

Pentru a suprima microflora saprofită străină la izolarea bacteriilor nodulare din noduli sau direct din sol, se recomandă medii nutritive cu adaos de cristal violet, tanin sau antibiotice.

Pentru dezvoltarea majorității culturilor de bacterii nodulare, este necesară o temperatură optimă în intervalul 24-26 °. La 0° și 37°C creșterea se oprește. De obicei, culturile de bacterii nodulare sunt depozitate în condiții de laborator la temperaturi scăzute (2-4 °C).

Multe tipuri de bacterii nodulare sunt capabile să sintetizeze vitaminele B, precum și substanțe de creștere, cum ar fi heteroauxina (acid indoleacetic).

Toate bacteriile nodulare sunt aproximativ la fel de rezistente la o reacție alcalină a mediului (pH = 8,0), dar inegal sensibile la una acidă.

Specificitatea, virulența, competitivitatea și activitatea bacteriilor nodulare.

concept specificitate bacterii nodulare – colectiv. Caracterizează capacitatea bacteriilor de a forma noduli în plante. Dacă vorbim despre bacterii cu noduli în general, atunci pentru ei formarea de noduli numai într-un grup de plante leguminoase este deja specifică în sine - au selectivitate pentru plantele leguminoase.

Cu toate acestea, dacă luăm în considerare culturile individuale de bacterii nodulare, se dovedește că printre acestea se numără și cele care sunt capabile să infecteze doar un anumit grup de plante leguminoase, uneori mai mare, alteori mai mic, și, în acest sens, specificul bacteriilor nodulare. este o capacitate selectivă în raport cu planta gazdă. Specificitatea bacteriilor nodulare poate fi îngustă (bacteriile nodulare de trifoi infectează doar un grup de trifoi - specificitatea speciei, iar bacteriile nodulare de lupin pot fi chiar caracterizate prin specificitatea varietale - infectează numai soiurile de lupin fără alcaloizi sau fără alcaloizi). Cu o mare specificitate, bacteriile cu noduli de mazăre pot infecta plantele de mazăre, bărbia și fasole, iar bacteriile cu nodul de mazăre și fasole pot infecta plantele de mazăre, adică toate sunt caracterizate prin capacitatea de a „infecta încrucișat”. Specificitatea bacteriilor nodulare stă la baza clasificării lor.

Specificitatea bacteriilor nodulare a apărut ca urmare a adaptării lor pe termen lung la o plantă sau la un grup de ele și transmiterea genetică a acestei proprietăți. În acest sens, există, de asemenea, o adaptabilitate diferită a bacteriilor nodulare la plante din grupul de infecții încrucișate. Astfel, bacteriile cu noduli de lucernă pot forma noduli în trifoiul dulce. Cu toate acestea, ele sunt mai adaptate la lucernă, iar bacteriile de trifoi dulce sunt mai adaptate la trifoiul dulce.

În procesul de infectare a sistemului radicular al plantelor leguminoase cu bacterii nodulare, este de mare importanță virulenţă microorganisme. Dacă specificitatea determină spectrul de acțiune al bacteriilor, atunci virulența bacteriilor nodulare caracterizează activitatea acțiunii lor în cadrul acestui spectru. Virulența se referă la capacitatea bacteriilor nodulare de a pătrunde în țesutul rădăcină, de a se înmulți acolo și de a provoca formarea de noduli.

Un rol important îl joacă nu numai capacitatea de a pătrunde în rădăcinile plantei, ci și viteza acestei pătrunderi.

Pentru a determina virulența unei tulpini de bacterii nodulare, este necesar să se stabilească capacitatea acesteia de a provoca formarea de noduli. Criteriul de virulență al oricărei tulpini poate fi numărul minim de bacterii care asigură o infecție mai viguroasă a rădăcinilor comparativ cu alte tulpini, culminând cu formarea de noduli.

În sol, în prezența altor tulpini, tulpina mai virulentă nu va infecta întotdeauna prima planta. În acest caz, ar trebui să se țină cont capacitate competitivă, care maschează adesea proprietatea virulenței în condiții naturale.

Este necesar ca tulpinile virulente să aibă și competitivitate, adică pot concura cu succes nu numai cu reprezentanții microflorei saprofite locale, ci și cu alte tulpini de bacterii nodulare. Un indicator al competitivității unei tulpini este numărul de noduli formați de aceasta ca procent din numărul total de noduli de pe rădăcinile plantelor.

O proprietate importantă a bacteriilor nodulare este lor activitate(eficiență), adică capacitatea de a asimila azotul molecular în simbioză cu plantele leguminoase și de a satisface nevoile plantei gazdă din aceasta. În funcție de măsura în care bacteriile nodulare contribuie la creșterea producției de leguminoase (Fig. 146), acestea sunt de obicei împărțite în active (eficiente), inactive (ineficiente) și inactive (ineficiente).

O tulpină de bacterii inactivă pentru o plantă gazdă în simbioză cu o altă specie de leguminoase poate fi destul de eficientă. Prin urmare, atunci când se caracterizează o tulpină în ceea ce privește eficacitatea ei, trebuie întotdeauna indicat în raport cu ce specie de plante gazdă se manifestă efectul acesteia.

Activitatea bacteriilor nodulare nu este proprietatea lor permanentă. Adesea, în practica de laborator, există o pierdere a activității în culturile de bacterii nodulare. În acest caz, fie se pierde activitatea întregii culturi, fie apar celule individuale cu activitate scăzută. O scădere a activității bacteriilor nodulare are loc în prezența anumitor antibiotice, aminoacizi. Unul dintre motivele pierderii activității bacteriilor nodulare poate fi influența fagului. Prin trecerea, adică trecerea în mod repetat a bacteriilor prin planta gazdă (adaptare la o anumită specie de plantă), este posibil să se obțină tulpini eficiente din cele ineficiente.

Expunerea la razele y face posibilă obținerea unor tulpini cu o eficiență sporită. Există cazuri cunoscute de apariție a unor radiomutanți foarte activi ai bacteriilor nodulare de lucernă dintr-o tulpină inactivă. Utilizarea radiațiilor ionizante, care are un efect direct asupra modificării caracteristicilor genetice ale celulei, după toate probabilitățile, poate fi o tehnică promițătoare în selectarea tulpinilor foarte active de bacterii nodulare.

Infecția unei plante leguminoase cu bacterii nodulare.

Pentru a asigura procesul normal de infectare a sistemului radicular cu bacterii nodulare, este necesar să existe un număr destul de mare de celule bacteriene viabile în zona rădăcinii. Părerile cercetătorilor cu privire la numărul de celule necesare pentru a asigura procesul de inoculare sunt diferite. Astfel, conform omului de știință american O. Allen (1966), pentru inocularea plantelor cu semințe mici sunt necesare 500-1000 de celule și pentru inocularea plantelor cu semințe mari sunt necesare cel puțin 70.000 de celule per 1 sămânță. Potrivit cercetătorului australian J. Vincent (1966), în momentul inoculării, fiecare sămânță ar trebui să conțină cel puțin câteva sute de celule bacteriene nodulare viabile și active. Există dovezi că celulele individuale pot pătrunde și în țesutul radicular.

În timpul dezvoltării sistemului radicular al unei plante leguminoase, înmulțirea bacteriilor nodulare pe suprafața rădăcinii este stimulată de secrețiile radiculare. Produsele de distrugere a capacelor radiculare și a firelor de păr joacă, de asemenea, un rol important în furnizarea bacteriilor nodulare cu un substrat adecvat.

În rizosfera unei plante leguminoase, dezvoltarea bacteriilor nodulare este puternic stimulată; pentru plantele de cereale, acest fenomen nu este observat.

Pe suprafața rădăcinii există un strat de substanță mucoasă (matrice), care se formează indiferent de prezența bacteriilor în rizosferă. Acest strat este clar vizibil atunci când este examinat cu un microscop optic luminos (Fig. 147). Bacteriile nodulare după inoculare se grăbesc de obicei în acest strat și se acumulează în el (Fig. 148) datorită efectului stimulator al rădăcinii, care se manifestă chiar și la o distanță de până la 30 mm.

,

În această perioadă, premergătoare introducerii bacteriilor nodulare în țesutul radicular, bacteriile din rizosferă sunt extrem de mobile. În studiile timpurii, în care un microscop cu lumină a fost folosit pentru cercetare, bacteriilor nodulare situate în zona rizosferei au primit numele de schwermers (gonidii sau zoospori) - „roirii”. Folosind metoda lui Faereus (1957), se poate observa formarea unor colonii de schwermers cu mișcare extrem de rapidă în regiunea vârfului rădăcinii și a firelor de păr. Coloniile Schwermer există pentru o perioadă foarte scurtă de timp - mai puțin de o zi.

Despre mecanismul de penetrare bacterii nodulare din rădăcina plantei există o serie de ipoteze. Cele mai interesante dintre ele sunt următoarele. Autorii uneia dintre ipoteze afirmă că bacteriile nodulare pătrund în rădăcină prin lezarea țesutului epidermic și cortical (mai ales în locurile unde se ramifică rădăcinile laterale). Această ipoteză a fost înaintată pe baza cercetărilor lui Bril (1888), care a provocat formarea de noduli la plantele leguminoase prin străpungerea rădăcinilor cu un ac scufundat anterior într-o suspensie de bacterii nodulare. Ca caz special, o astfel de cale de implementare este destul de reală. De exemplu, la arahide nodulii sunt localizați predominant în axilele ramurilor rădăcinilor, ceea ce sugerează pătrunderea bacteriilor nodulare în rădăcină prin goluri în timpul germinării rădăcinilor laterale.

O ipoteză interesantă și deloc neîntemeiată este pătrunderea bacteriilor nodulare în țesutul radicular prin firele de păr radiculare. Trecerea bacteriilor nodulare prin firele de păr din rădăcină este recunoscută de majoritatea cercetătorilor.

Sugestia lui P. Dart și F. Mercer (1965) este foarte convingătoare că bacteriile nodulare pătrund în rădăcină sub formă de celule cocoide mici (0,1-0,4 µm) prin intervale (0,3-0,4 µm) ale rețelei fibrilare de celuloză ale teaca primară a firelor de păr radiculare. Fotografiile microscopice electronice (Fig. 149) ale suprafeței rădăcinii, obținute prin metoda replică, și faptul de contracție a celulelor bacteriene nodulare în rizosfera plantelor leguminoase confirmă această poziție.

Este posibil ca bacteriile nodulare să pătrundă în rădăcină prin celulele epidermice ale vârfurilor rădăcinilor tinere. Potrivit lui Prazhmovsky (1889), bacteriile pot pătrunde în rădăcină doar prin peretele celular tânăr (al părului rădăcină sau al celulelor epidermice) și sunt complet incapabile să depășească stratul alterat chimic sau corky al cortexului. Acest lucru poate explica faptul că nodulii se dezvoltă de obicei pe secțiuni tinere ale rădăcinii principale și rădăcinilor laterale emergente.

Recent, ipoteza auxinei a primit o mare popularitate. Autorii acestei ipoteze cred că bacteriile nodulare pătrund în rădăcină datorită stimulării sintezei acidului β-indoleacetic (heteroauxină) din triptofan, care este întotdeauna prezent în secrețiile rădăcinilor plantelor.Fig. 150).

Sursa de acid β-indolilacetic în momentul infecției plantei, evident, nu este doar plantele care secretă triptofan prin sistemul radicular, pe care multe tipuri de bacterii, inclusiv nodulii rădăcinii, îl pot transforma în acid β-indolilacetic. Bacteriile nodulare în sine și, eventual, alte tipuri de microorganisme din sol care trăiesc în zona rădăcinii, pot participa, de asemenea, la sinteza heteroauxinei.

Cu toate acestea, ipoteza auxinei nu poate fi acceptată necondiționat. Acțiunea heteroauxinei este nespecifică și provoacă curbura firelor de păr radiculare la diferite specii de plante, nu doar leguminoase. În același timp, bacteriile nodulare provoacă curbura firelor de păr rădăcină numai la plantele leguminoase, prezentând în același timp o selectivitate destul de semnificativă. Dacă efectul considerat ar fi determinat numai de acidul β-indolilacetic, atunci nu ar exista o astfel de specificitate. În plus, natura modificărilor firelor de păr din rădăcină sub influența bacteriilor nodulare este oarecum diferită de cea sub influența heteroauxinei.

De asemenea, trebuie remarcat faptul că, în unele cazuri, firele de păr rădăcină necurbate sunt expuse la infecții. Observațiile arată că la lucernă și mazăre, 60-70% din firele de păr sunt răsucite și răsucite, iar la trifoi - aproximativ 50%. La unele specii de trifoi, această reacție este observată în cel mult 1/4 din firele de păr infectate. În reacția de curbură, evident, starea părului rădăcină este de mare importanță. Rădăcinile în creștere sunt cele mai sensibile la acțiunea substanțelor produse de bacterii.

Se știe că bacteriile nodulare provoacă înmuierea pereților firelor de păr rădăcină. Cu toate acestea, ele nu formează nici celulază, nici enzime pectinolitice. În acest sens, s-a sugerat că bacteriile nodulare pătrund în rădăcină datorită secreției de mucus de natură polizaharidă, care determină sinteza enzimei poligalacturonazei de către plante. Această enzimă, distrugând substanțele pectinice, afectează coaja firelor de păr rădăcină, făcându-l mai plastic și mai permeabil. În cantități mici, poligalacturonaza este întotdeauna prezentă în firele de păr de rădăcină și, aparent, provocând dizolvarea parțială a componentelor corespunzătoare ale membranei, permite celulei să se întindă.

Unii cercetători cred că bacteriile nodulare pătrund în rădăcină datorită bacteriilor satelit care produc enzime pectinolitice. Această ipoteză a fost formulată pe baza următoarelor fapte. Atunci când microscopia firelor de păr rădăcină, mulți cercetători au remarcat prezența unui punct luminos, în apropierea căruia se acumulează bacterii nodulare. Această pată poate fi un semn al începerii macerării (distrugerii) țesutului de către protopectinază, prin analogie cu același semn observat la plante în multe boli bacteriene. În plus, s-a constatat că culturile avirulente de bacterii nodulare în prezența bacteriilor producătoare de enzime pectinolitice devin capabile să pătrundă în rădăcină.

Trebuie remarcată o altă ipoteză, conform căreia bacteriile nodulare intră în rădăcină în timpul formării unei proeminențe asemănătoare unui deget pe suprafața părului rădăcină. Modelul de difracție de electroni al unei secțiuni de păr de rădăcină care confirmă această ipoteză (Fig. 150, 3) arată un păr de rădăcină îndoit sub forma unui mâner de umbrelă, în curba căruia există o acumulare de bacterii nodulare. Bacteriile nodulare sunt ca și cum ar fi atrase (înghițite) de părul rădăcină (similar cu pinocitoza).

Ipoteza invaginării, în esență, nu poate fi separată de auxină sau ipoteza enzimatică, deoarece invaginarea apare ca urmare a expunerii fie la o auxină, fie la un factor enzimatic.

Procesul de introducere a bacteriilor nodulare în țesutul rădăcinii este același în toate tipurile de plante leguminoase și constă din două faze. În prima fază, apare infecția firelor de păr din rădăcină. În a doua fază, procesul de formare a nodulilor decurge intens. Durata fazelor este diferită în funcție de speciile de plante: la Trifolium fragiferum prima fază durează 6 zile, la Trifolium nigrescens - 3 zile.

În unele cazuri este foarte dificil să se detecteze limitele dintre faze. Cea mai intensă introducere a bacteriilor nodulare în firele de păr rădăcină are loc în stadiile incipiente ale dezvoltării plantei. A doua fază se termină în timpul formării în masă a nodulilor. Adesea, pătrunderea bacteriilor nodulare în firele de păr rădăcină continuă chiar și după ce nodulii s-au format pe rădăcini. Această așa-numită infecție în exces sau suplimentară apare deoarece infecția firelor de păr nu se oprește mult timp. În etapele ulterioare ale infecției, nodulii sunt de obicei plasați mai jos de-a lungul rădăcinii.

Tipul de dezvoltare, structura și densitatea firelor de păr radiculare nu afectează rata de introducere a bacteriilor nodulare. Locurile de formare a nodulilor nu sunt întotdeauna asociate cu locațiile firelor de păr infectate.

După ce au pătruns în rădăcină (prin părul rădăcinii, celulele epidermice, locurile de deteriorare a rădăcinii), bacteriile noduloase se deplasează apoi în țesuturile rădăcinii plantei. Cel mai ușor, bacteriile trec prin spațiile intercelulare.

Fie o singură celulă, fie un grup de celule bacteriene poate pătrunde în țesutul radicular. Dacă a fost introdusă o celulă separată, aceasta poate continua să se deplaseze prin țesut ca o singură celulă. Calea de infectare a rădăcinii cu celule unice este caracteristică plantelor de lupin.

Cu toate acestea, în cele mai multe cazuri, celula invadatoare, înmulțindu-se activ, formează așa-numitele fire de infecție (sau cordoane de infecție) și, deja sub forma unor astfel de fire, se deplasează în țesuturile plantei.

Termenul „fir de infecție” a apărut pe baza studiului procesului de infecție la microscop cu lumină. Începând cu munca lui Beijerinck, firul de infecție a ajuns să fie văzut ca o masă slimoasă, asemănătoare hifelor, care conține bacterii în proliferare.

În esență, un fir de infecție este o colonie de bacterii multiplicate. Începutul său este locul în care o singură celulă sau un grup de celule a pătruns. Este posibil ca pe suprafața rădăcinii să înceapă să se formeze o colonie de bacterii (și, în consecință, un viitor fir de infecție) înainte de introducerea bacteriilor în rădăcină.

Numărul de fire de păr infectate variază considerabil între plante individuale. De obicei firele infecțioase apar în firele de păr rădăcină deformate, răsucite. Cu toate acestea, există indicii că fire similare se găsesc uneori în firele de păr drepte. Mai des, se observă un fir de ramificare în firele de păr rădăcină, mai rar două. În unele cazuri, există mai multe fire într-o singură rădăcină de păr, sau în mai multe există fire comune de infecție, dând naștere unui singur nodul (Fig. 151).

Procentul de fire de păr infectate din rădăcină în numărul total de fire de păr deformate este inexplicabil de scăzut. De obicei variază de la 0,6 la 3,2, ajungând uneori la 8,0. Proporția infecțiilor reușite este și mai mică, deoarece printre firele infecțioase există multe (până la 80%) așa-numite fire abortive care au încetat să se dezvolte. Rata de avansare a firelor infecțioase cu dezvoltare normală într-o plantă este de 5-8 microni pe oră. La această viteză, calea prin firul de păr rădăcină cu lungimea de 100-200 microni poate trece prin firul de infecție în decurs de o zi.

Caracteristicile morfologice și anatomice ale nodulilor în ontogeneza lor.

Conform metodei de formare, nodulii plantelor leguminoase sunt împărțiți în două tipuri:

Primul tip - nodulii apar în timpul diviziunii celulelor periciclului (stratul rădăcină), de obicei localizați împotriva protoxilemului (primul în timp pentru formarea vaselor) - tip endogen de formare a nodulilor;

Tipul 2 - nodulii provin din cortexul radicular ca urmare a introducerii agentului patogen în celulele parenchimatoase ale cortexului și endodermului (stratul interior al cortexului primar) - un tip exogen de formare a nodulilor.

În natură, predomină ultimul tip. Țesuturile cilindrului central al rădăcinii participă numai la formarea sistemului vascular de noduli atât de tip endogene, cât și exogene.

În ciuda opiniilor diferite asupra naturii originii nodulilor de exo- și endotipuri, procesul de dezvoltare a acestora este practic același. Cu toate acestea, nici unul, nici celălalt tip de formare de noduli nu ar trebui în niciun caz identificat cu procesul de formare a rădăcinilor laterale, în ciuda faptului că există unele asemănări la începutul lor. Astfel, formarea de noduli și rădăcini laterale are loc simultan și, mai mult, în aceeași zonă radiculară.

În același timp, o serie de caracteristici în dezvoltarea rădăcinilor laterale și a nodulilor subliniază diferențele profunde în tipul formării lor. Rădăcinile laterale apar în periciclu. Încă din primele momente de dezvoltare, ele sunt conectate cu cilindrul central al rădăcinii principale, din care se ramifică cilindrii centrali ai rădăcinilor laterale și se ridică întotdeauna împotriva razei lemnului primar. Formarea unui nodul, spre deosebire de rădăcina laterală, este posibilă oriunde. La începutul formării țesutului nodulului, nu există nicio legătură vasculară cu cilindrul central al rădăcinii; aceasta apare mai târziu. Vasele se formează de obicei de-a lungul periferiei nodulului. Sunt conectate cu vasele radiculare prin zona traheidă și au propriul endoderm (Fig. 152).

Diferența de natură a nodulării și a rădăcinilor laterale este observată în mod deosebit la seradella, deoarece țesutul cortical al rădăcinii principale a acestei plante - locul primilor noduli - constă dintr-un strat relativ mic de celule, iar nodulii devin vizibili foarte repede. după infectarea rădăcinii cu bacterii. Mai întâi formează proeminențe aplatizate pe rădăcină, ceea ce face posibilă distingerea lor de proeminențele conice ale rădăcinilor laterale. Nodulii diferă de rădăcinile laterale printr-o serie de caracteristici anatomice: absența unui cilindru central, a capacelor radiculare și a epidermei și prezența unui strat semnificativ de scoarță care acoperă nodulul.

Formarea de noduli (Fig. 153, 1, 2) ai plantelor leguminoase are loc în perioada în care rădăcina are încă o structură primară. Se începe cu divizarea celulelor corticale situate la o distanță de 2-3 straturi de capetele firelor infecțioase. Straturile cortexului, pătrunse de fire infecțioase, rămân neschimbate. În același timp, la seradella, diviziunea celulelor corticale are loc direct sub părul rădăcinii infectate, în timp ce la mazăre, diviziunea celulară se observă doar în penultimul strat al cortexului.

Diviziunea cu formarea unei structuri de țesut radial continuă până la celulele miezului interior. Apare fără o direcție specifică, în mod aleatoriu și, ca urmare, ia naștere un meristem (un sistem de țesuturi educaționale) al nodulului, format din celule granulare mici.

Celulele divizate ale cortexului se modifică: nucleii sunt rotunjiți și cresc în dimensiune, în special nucleolii. După mitoză, nucleii se dispersează și, fără a-și lua forma inițială, încep să se dividă din nou.

Apare un meristem secundar. Curând, în endoderm și periciclu apar semne de diviziune incipientă, care în fostele celule exterioare apare în principal prin septuri tangențiale. Această diviziune se extinde în cele din urmă la complexul meristematic comun, ale cărui celule mici sunt alungite, vacuolele dispar, iar nucleul umple cea mai mare parte a celulei. Se formează așa-numitul nodul primar, în plasma celulelor din care bacteriile nodulare sunt absente, deoarece în acest stadiu se află încă în firele de infecție. În timp ce nodulul primar se formează, firele de infecție se ramifică de multe ori și pot trece fie între celule - intercelular (Fig. 154), fie prin celule - intracelular - și introduc bacterii (Fig. 155).

,

Firele infecțioase intercelulare, datorită reproducerii active a bacteriilor nodulare în ele, capătă adesea o formă bizară - se formează sub formă de buzunare (diverticuli) sau torțe (vezi Fig. 154).

Procesul de mișcare a firelor de infecție de la celulă la celulă nu este complet clar. Aparent, firele infecțioase, după cum crede microbiologul canadian D. Jordan (1963), rătăcesc sub formă de fire mucoase goale în spațiile intercelulare ale țesutului vegetal până când, din motive încă inexplicabile, încep să se invagineze în citoplasma celulelor adiacente. .

În unele cazuri, invaginarea firului de infecție are loc într-una, în unele cazuri - în fiecare celulă vecină. Prin aceste cavități tubulare invaginate (diverticuli), conținutul firului este închis în fluxul de mucus. Cea mai activă creștere a firelor infecțioase are loc de obicei în apropierea nucleului celulei plantei. Pătrunderea firului este însoțită de mișcarea nucleului, care se deplasează spre locul infecției, crește, își schimbă forma și degenerează. O imagine similară se observă cu o infecție fungică, când nucleul este adesea

Dezvoltarea asociațiilor simbiotice între plantele leguminoase și bacteriile nodulare prezintă un mare interes pentru agronomie. Aceste simbioze furnizează cea mai mare parte a azotului legat biologic disponibil culturilor.

Bacteriile nodulare sunt microorganisme gram-negative destul de comune, unite în aceeași familie cu cunoscutele bacterii fitopatogene Agrobacterium. Deși bacteriile nodulare sunt luate în considerare în acest articol numai din punctul de vedere al rolului lor în relațiile simbiotice cu plantele, trebuie amintit întotdeauna că sunt foarte bine adaptate la supraviețuirea pe termen lung în sol chiar și în absența unor plante gazdă specifice. . În mod similar, gazdele acestor bacterii, leguminoasele precum soia și trifoiul, pot crește bine fără simbioții lor. Astfel, simbioza plantelor leguminoase și a bacteriilor nodulare este mai degrabă o asociere facultativă decât obligatorie. De obicei este benefic pentru ambele organisme, dar nu esențial pentru dezvoltarea lor. Fiecare partener al acestei asociații își poate duce propria viață și este bine echipat pentru asta. Prin urmare, se poate aștepta ca în procesul de infecție și de stabilire a simbiozei, dezvoltarea bacteriilor nodulare să se schimbe rapid, adică să aibă loc o adaptare care le permite să se deplaseze dintr-un habitat complex din sol într-un mediu dinamic pe suprafața rădăcinii și apoi într-un mediu foarte special în interiorul celulelor. De asemenea, planta gazdă trebuie să reacționeze rapid la prezența bacteriilor simbiotice pe suprafața rădăcinii sale, iar răspunsurile gazdei trebuie să fie semnificativ diferite de reacțiile lor la alte microorganisme din sol. În planta gazdă trebuie să apară schimbări interne semnificative, în urma cărora aceasta își poate accepta partenerul bacterian și poate trece de la consumul de azot legat din surse exogene la asimilarea NH3 format simbiotic. Este clar că procesul de infectare și dezvoltarea unei relații simbiotice constă într-o serie întreagă de adaptări mutualiste. În multe privințe, acest proces seamănă cu infecția unei gazde susceptibile de către un organism patogen și, în același timp, sunt destul de diferite.

Infecția la soia cu Rhizobium japonicum începe aparent cu o reacție a bacteriei la prezența semnalelor și a nutrienților secretați de rădăcinile gazdei. Celulele Rhizobium se atașează foarte repede la suprafața rădăcinii și pot fi detectate în câteva secunde sau minute după inocularea rădăcinii. Atașarea bacteriilor este cel mai adesea polară. Următoarea etapă observată în procesul infecțios este răsucirea firelor de păr rădăcină. Răsucirea și deformarea acestora din urmă sunt induse în mod specific de bacteriile nodulare. Răsucirea începe la câteva ore după inoculare și devine vizibilă după aproximativ 12 ore.Bacterii nodulare pătrund în firele de păr răsucite ale rădăcinii în punctul de cea mai mare curbură și sunt introduse în ele sub forma unei structuri tubulare numită fir de infecție. Aceste filamente transportă celule rizobiene, de obicei într-un singur lanț, până la baza firului de păr (până la celula bazală). Vârful firului de infecție în creștere pare să urmeze calea nucleului celulei gazdă. Înainte ca firul de infecție să părăsească celula bazală a părului, celulele corticale din apropiere sunt stimulate să se dividă și să se umple cu citoplasmă. Firele infecțioase pătrund în peretele celular situat între celula părului rădăcină și celulele corticale adiacente și se ramifică, captând multe celule corticale care se divid continuu. Apoi, celulele bacteriilor nodulare sunt eliberate de la vârfurile firelor de infecție în citoplasma celulelor gazdă. Odată eliberate, bacteriile sunt încapsulate de membranele citoplasmatice ale celulelor gazdă și astfel nu intră niciodată în contact direct cu citoplasma gazdă. Celulele bacteriilor nodulare și ale plantei gazdă proliferează, formând structuri numite noduli, care constau din mase aproximativ egale de bacterii și țesuturi vegetale într-un raport de greutate. Gazda furnizează rizobiilor produsele fotosintezei, iar bacteriile transformă N 2 atmosferic în NH 3, furnizând plantelor azotul disponibil.

Acesta este un proces uimitor, remarcabil prin specificitatea, mecanismele de acțiune, dezvoltarea și sofisticarea reglementării. A-l urmări și a-l studia este o adevărată plăcere.

Am început un studiu sistematic și cu mai multe fațete al infecției cu Rhizobium japonicum. Colegii mei din această lucrare au fost fiziologii Arvind Bhagwat, Margaret Pierce și T. V. Bhuvaneswari; citologii Gillian Turgeon, Mark Pence și Harry Calvert; biochimistul Andrew Mort; și specialiștii în mutageneză Yang Lo și Poko Yamamoto. Studiile bacteriilor nodulare au început cu studiul mecanismelor de recunoaștere și al specificității gazdei. Cel puțin pentru majoritatea plantelor leguminoase care trăiesc în zona temperată, există o specificitate bine definită pentru rizobie. De exemplu, Rhizobium meli-loti formează noduli numai cu lucernă și nu infectează trifoiul sau alte leguminoase. Tulpinile de R. japonicum formează noduli numai cu boabele de soia, dar nu și cu lucernă, trifoi etc.

Baza moleculară a specificității gazdei și bacteriile nodulare

Specificitatea gazdei și mecanismele de recunoaștere au fost un domeniu extins de cercetare pentru patologii plantelor de mulți ani, inclusiv cei care studiază simbiozele Rhizobium. În 1975, Albersheim și Anderson-Prouty au prezentat o sugestie teoretică conform căreia reacția de recunoaștere în sistemele plante-patogeni implică proteine ​​gazdă care leagă carbohidrații (adică, lectinele) care reacționează cu carbohidrații de pe suprafața pereților celulelor microbiene. Aproape simultan, Bolul și Schmidt au furnizat dovezi experimentale pentru o strânsă corelație între capacitatea diferitelor bacterii nodulare de a infecta boabele de soia și capacitatea lor de a lega lectina marcată în semințele acestei plante. Am testat cu cea mai mare atenție experimentele lui Bolul și Schmidt și am confirmat corelația dintre formarea nodulilor și legarea lectinei de către rizobie. Cu toate acestea, unele abateri de la acest model au fost observate în literatura științifică:

Brethauer și Paxton, Chen și Phillips, Lo și Strijdom nu au raportat nicio corelație între legarea lectinei și formarea nodulilor în boabe de soia;

Unele tulpini de R. japonicum au fost foarte active în nodulare, dar nu au legat lectina din soia;

Într-un număr de tulpini de rizobie în cultură, doar un număr mic de celule (1-5%) s-au legat de lectina de soia.

Pe baza observațiilor, am stabilit un model important, și anume, capacitatea celulelor Rhizobium japonicum de a lega lectina din soia se modifică dramatic odată cu vârsta culturii. Această descoperire sugerează că apariția sau dispariția compușilor receptori de lectină de pe suprafața celulelor Rhizobium este cumva reglementată. După ce am studiat posibilitatea sintezei receptorului de lectină în funcție de substanțele prezente în rădăcinile gazdei, am constatat că toate tulpinile de R. japonicum testate leagă lectina de soia atunci când sunt cultivate în prezența rădăcinilor gazdei, în timp ce pe medii de laborator multe dintre tulpinile nu au avut celule capabile să lege lectina. Influența rădăcinilor asupra formării receptorilor de lectină face posibilă explicarea inconsecvenței rezultatelor experimentelor cu acele tulpini bacteriene care au format noduli, dar nu au legat lectina și, de asemenea, să se înțeleagă lipsa corelației dintre aceste procese în experimentele de alti cercetatori. Cu toate acestea, încă nu știm care dintre substanțele din rădăcinile plantei gazdă este responsabilă pentru modificările sintezei receptorilor.

Fig.1. Influența vârstei de cultură a tulpinii Rhizobium japonicum 110 ARS asupra numărului de celule capabile să lege lectina de soia și asupra formării de noduli pe rădăcinile primare deasupra semnului poziției inițiale a vârfului rădăcinii (vezi textul) la momentul inoculării:

1 - numărul de celule/ml; 2 - procentul de celule care leagă lectina; 3 - numărul de noduli peste marcaj în ceea ce privește planta; 4 - procentul de plante cu noduli peste marcaj.

De asemenea, este de remarcat faptul că Dazzo și Hubbell au stabilit o corelație puternică similară între legarea lectinei și formarea nodulilor în asocierea simbiotică trifoi/Rhizobium trifolii.

Stabilitatea corelațiilor cu legarea lectinei în sistemul soia/R, japonicum ne permite să luăm în considerare încă două întrebări:

Se poate argumenta că lectina potrivită, găsită pe suprafața rădăcinilor de soia la momentul potrivit și la locul potrivit, joacă cu adevărat un rol în reacția de recunoaștere?

Care este natura receptorului de lectină din soia de pe suprafața celulară a Rhizobium japonicum?

În prezent, nu există un răspuns definitiv la prima întrebare. Cea mai bună dovadă în favoarea sa pot fi datele lui Stacey și colab., care au arătat că anticorpii marcați specifici pentru lectina din semințe de soia au fost legați de rădăcinile de soia, spre deosebire de anticorpii serici nespecifici marcați. Densitatea scăzută de legare a anticorpilor marcați poate explica detectarea dificilă a lectinei în rădăcini prin alte metode biochimice mai directe.

S-au obținut date mai complete și mai precise la a doua întrebare. Conform experimentelor citologice și biochimice convingătoare, lectina de soia se leagă de materialul capsulei din jurul celulelor Rhizobium japonicum. Lectina de soia marcată cu feritină se leagă de materialul capsular bacterian, dar nu de membrana celulară exterioară. Această relație este specifică din punct de vedere biochimic, așa cum se arată prin metoda de inhibare a haptenei de zahăr, și este lipsită de influența artefactelor care decurg din fixare, așa cum este determinată de criochirurgie.

Am izolat materialul capsular din două tulpini diferite de R. japonicum și am constatat că acesta constă dintr-o polizaharidă a cărei structură este prezentată în Figura 2. Poate cea mai importantă caracteristică a unei polizaharide capsulare (CPS) este prezența unui lanț lateral de galactoză în fiecare unitate polimerică care se repetă. Legarea lectinei de soia la suprafața celulei bacteriene este puternic inhibată prin adăugarea de galactoză sau N-acetilgalactozamină, ceea ce indică faptul că structurile asemănătoare galactozei constituie o parte importantă a materialului de legare specific lectinei. Reziduurile galactozilice ale CPS conțin uneori o grupare metil la poziția 4. Conform Hammarström și colab., somnul de lectină nu se atașează de 4-O-metilgalactoză. Prin urmare, de interes deosebit a fost descoperirea modificărilor în compoziția zaharurilor incluse în CPS odată cu vârsta culturilor bacteriene. În culturile vechi, reziduurile de galactosil din CPS au fost mai des 4-О-metilate.

Orez. Fig. 2. Structura unității de pentazaharide repetate care formează polizaharidă/exopolizaharidă capsulară (CPS/EPS) în tulpinile de R. japonicum 110/138:

Gl - glucoză; Ma - manoza; HUK - acid galacturonic; Ga - galactoză; Ac - acetat; Eu - metnl.

Conversia galactozei nemetilate în una metilata are loc deosebit de rapid în perioada în care culturile bacteriene trec de la faza exponențială la cea staționară. În același timp, are loc o scădere bruscă a numărului de celule încapsulate și bacterii capabile să lege somnul de lectină. Modificările în compoziția și încapsularea CPS explică pierderea bruscă a capacității de legare a lectinei a acestor tulpini. După cum se va arăta mai târziu, la atingerea fazei de creștere staționară, aceste tulpini își pierd și ele brusc infecțiozitatea. Nu a fost încă stabilit dacă există relații cauzale între modificările chimiei CPS, legarea lectinei și infecțiozitatea Rhizobium.

Trebuie avut în vedere faptul că tulpinile de R. japonicum sintetizează atât polizaharidă capsulară (CPS), care se leagă de gazdă, cât și exopolizaharidă (EPS), care nu se leagă de gazdă. Potrivit lui Dudman, unele tulpini de R. japonicum formează EPS, a cărui structură este prezentată în Figura 3. Acest EPS, izolat din filtratele de cultură, nu conține reziduuri asemănătoare galactozei capabile să lege lectina din soia. Dacă acesta din urmă acționează ca un determinant specific speciei în reacțiile de recunoaștere pentru toate bacteriile care formează noduli pe boabele de soia, atunci aceste tulpini de R. japonicum trebuie, la rândul lor, să formeze, cel puțin în cantități mici, un fel de CPS sau EPS. cu un situs de legare a lectinei de tip galactoză. Conform unor date preliminare, două tulpini de bacterii nodulare care formează EPS de tip ramnoză sunt, de asemenea, capabile să sintetizeze cantități mici de CPS/EPS care conțin galactoză (Mort, date nepublicate).

Capacitatea celulelor R. japonicum de a lega lectina somnului depinde strict de prezența materialului capsular pe bacterii. Cu toate acestea, formarea nodulilor nu depinde de acest lucru. Mutanții de R. japonicum, care nu au format capsule vizibile în nicio fază de creștere, atât pe medii nutritive de laborator, cât și atunci când au fost cultivați cu rădăcini gazdă, au format totuși destul de ușor noduli pe rădăcinile somnului. Un determinant important al capacității de nodulare este capacitatea de a sintetiza cantități adecvate de polizaharidă care conține galactoză. Există o relație liniară între cantitatea de EPS sintetizată de diverși mutanți de rizobie și capacitatea relativă a acestora de a forma noduli. Odată cu apariția unei anumite cantități de polizaharidă care conține galactoză, nu mai contează dacă este asociată cu celule bacteriene sau este în stare liberă.

Orez. Fig. 3. Structura monomerului care se repetă în tetrasaharidă, care face parte din EPS din tulpina Rhizobium japonicum 61A76; denumirile sunt aceleași ca în figura 2 (Rha - rafinoză).

Fig. 1. Relația dintre sinteza EPS și formarea nodulilor pe rădăcinile de soia de către diverși mutanți ai Rhizobium japonicum care nu produc capsule normale

Ideea că lectinele gazdă și polizaharidele de la suprafața celulei Rhizobium sunt singurii determinanți ai specificității și recunoașterii în interacțiunile simbiontului poate fi considerată suprasimplificată. Dacă Dazzo și Stacey și colab. consideră că lectinele gazdei sunt responsabile pentru atașarea specifică a bacteriilor nodulare omoloage la suprafața gazdei, alți cercetători subliniază inducerea unor răspunsuri specifice gazdei prin formarea de legături lectină-polizaharidă. Cu toate acestea, pare mai probabil ca aceste interacțiuni să fie doar o parte dintr-o secvență complexă de schimburi semnal-răspuns între ambii simbioți. Conform acestui punct de vedere, fiecare etapă dintr-un astfel de lanț secvenţial determină în felul său specificul biologic general al simbiozei. Niciun pas în procesul de recunoaștere nu poate fi exclus doar pentru că nu este primul sau cel mai selectiv și, în același timp, nu se poate presupune că primul sau cel mai selectiv pas determină complet specificitatea relației simbiotice.

Procese precoce în infecțiile cauzate de RHIZOBIUM

În mod surprinzător, se știe puțin despre inițierea sau dezvoltarea timpurie a infecțiilor cauzate de bacteriile nodulare în simbioții lor, deși unele lucrări recente oferă informații valoroase despre aceste probleme. După cum sa arătat mai devreme, prima manifestare externă a procesului infecțios este atașarea bacteriilor la suprafața rădăcinilor gazdei. Celulele rizobiului tind să se atașeze polar. Potrivit lui Dazzo, o astfel de atașare este determinată de lectina gazdă și este specifică sistemului trifoi/R, trifolii. Stacy și colab. au raportat date similare pentru R. japonicum pe rădăcinile de soia. Cu toate acestea, am descoperit că atât R. trifolii, cât și R. japonicum se pot atașa polar la rădăcinile de soia la un număr și densități destul de comparabile (Tergen și Bauer, nepublicat). Natura atașării ambelor specii practic nu diferă în condițiile experimentelor noastre. Indiferent dacă atașarea este specifică sau nespecifică și uneori intermediară, trebuie recunoscut că până acum nu se știe nimic nici despre componentele celulare și moleculare care provoacă atașarea, nici despre mecanismele de acțiune ale acestor componente.

A doua manifestare a procesului infecțios este inducerea răsucirii firelor de păr din rădăcină. Funcția acestui fenomen pare să fie ciupirea celulelor Rhizobium în spațiul dintre cele două suprafețe ale pereților celulari ai părului curbat al rădăcinii. Până acum, nimeni nu a reușit să identifice substanțele care induc răsucirea sau ramificarea firelor de păr radiculare, iar mecanismele prin care se produce răsucirea nu au fost studiate.

A treia manifestare a procesului infecțios este formarea unui fir infecțios. Cercetările recente ale lui Callaham au oferit informații foarte importante despre acest proces. El a propus trei modele posibile pentru intrarea Rhizobium în celula gazdă:

Invaginarea locală a peretelui celular al părului rădăcină;

Distrugerea locală a peretelui celular al părului cu ajutorul enzimelor induse ale gazdei însăși și sinteza firului de infecție;

Distrugerea locală a peretelui celular al rădăcinii de către enzimele Rhizobium și sinteza firului de infecție.

Rezultatele studiilor lui Callaham au arătat în mod convingător că procesul de infectare a trifoiului cu bacteria R. trifolii include distrugerea locală a pereților celulari ai firelor de păr din apropierea bacteriilor capturate, asociată cu depunerea locală a unui nou strat de material neidentificat din care se formează firul de infecție. Acest depozit este foarte asemănător cu formarea unei carcase (teaca) în jurul hifelor infectante ale ciupercilor patogene. Studiile citologice ale lui Callaham au făcut posibilă excluderea ipotezei invaginării peretelui celular al părului rădăcină, dar nu au rezolvat întrebarea ale cui enzime provoacă distrugerea locală a pereților celulari - enzime ale gazdei sau bacterii? Unele mesaje acceptă ambele posibilități, dar nu oferă un răspuns definitiv.

Multe întrebări referitoare la etapele ulterioare ale procesului infecțios nu au fost încă rezolvate. De exemplu, cum poate un fir de infecție să pătrundă într-o celulă gazdă împotriva presiunii sale de turgență? De ce (și cum) vârful firului de infecție în creștere urmărește mișcarea nucleului în celula părului rădăcină? Cum pătrunde firul de infecție în celulele corticale învecinate? Cum este stimulată diviziunea celulelor corticale în timpul dezvoltării unui proces infecțios cauzat de pătrunderea firului? Cum pot bacteriile nodulare să evite sau să suprime apărarea normală a plantei gazdă?

Din păcate, dificultățile metodologice serioase împiedică un studiu detaliat al etapelor anterioare ale procesului infecțios. Dificultăți apar din cauza faptului că aproximativ 100 de mii de celule bacteriene și aproximativ 10 mii de fire de păr rădăcină participă de obicei la procesul de inoculare, cu toate acestea, procesul infecțios este inițiat în cel mult 100 de cazuri și doar aproximativ 10 cazuri de infecție se termină cu formarea de noduli. Prin urmare, este dificil să se ia în considerare mecanismele sau etapele necunoscute ale procesului infecțios în 10 infecții reușite sau 100 de infecții ale părului rădăcină în total față de 10.000 sau mai multe interacțiuni eșuate sau non-susceptibile gazdă-Rhizobium.

Orez. 4. Diagrama care prezintă fazele procesului infecțios cauzat de bacteriile nodulare. Bacteriile nodulare închise în spațiul dintre două suprafețe ale părului curbat al rădăcinii distrug peretele celulei gazdă (a), provoacă sinteza unui nou strat de material din citoplasma peretelui celulei gazdă (b) și pătrund prin rădăcina parțial distrusă. peretele celular de păr în firul de infecție format din stratul nou depus (c).

Localizarea celulelor infectate pe rădăcinile plantei gazdă

Pentru a facilita o metodologie pentru studierea mecanismelor biochimice ale proceselor de recunoaștere și infecție, am decis recent să stabilim care celule rădăcină gazdă sunt susceptibile la infecție. Răsadurile de plante au fost cultivate în pungi de plastic, ceea ce a făcut posibilă observarea vizuală a rădăcinilor în curs de dezvoltare. Poziția vârfurilor rădăcinii (KK) și zona de formare a părului radicular au fost marcate pe plastic în momentul introducerii inoculului. La o săptămână după inoculare s-a determinat poziția fiecărui nodul ținând cont de semnele făcute. Luând în considerare mișcarea celulelor epidermice în timpul creșterii rădăcinii, este posibil să se calculeze poziția și faza de dezvoltare a acelor celule radiculare care erau susceptibile la infecție în momentul inoculării cu bacterii nodulare. Graficele (Fig. 5.5) arată clar că nodulii s-au format cel mai adesea în acele părți ale rădăcinilor care se aflau direct sub zona firelor de păr radiculare și deasupra zonei de extindere rapidă. S-au format relativ puțini noduli în zona de dezvoltare a firelor de păr radiculare și nu au existat deloc noduli în zonele radiculare acoperite cu fire de păr mature în momentul inoculării. Astfel, capacitatea de a forma noduli este limitată de anumite faze de dezvoltare a rădăcinilor și de durata scurtă a existenței celulelor țintă sensibile la bacterii. Experimentele cu inoculare ulterioară au arătat că întreaga zonă rădăcină de deasupra vârfului își pierde sensibil sensibilitatea după 4-6 ore.La alte specii de leguminoase, capacitatea de a forma noduli este, de asemenea, de scurtă durată și limitată la anumite faze de dezvoltare.

Aceste date sunt de indubitabil interes teoretic și practic. De exemplu, picăturile de nanolitri dintr-o suspensie de inoculare care conține doar câteva celule bacteriene nodulare pot fi aplicate direct pe locul cu cea mai mare susceptibilitate a rădăcinii, iar dezvoltarea Rhizobium va avea loc tocmai în punctul de inoculare. Această metodă ne-a permis să folosim microscopul electronic pentru a studia cele mai timpurii procese care apar chiar înainte de formarea unui fir de infecție, răsucirea firelor de păr de rădăcină sau orice alți indicatori ai debutului infecției vizibile la microscop cu lumină. Efectuarea unor astfel de studii este posibilă numai cu suficientă încredere că firele de păr de rădăcină prelevate pentru prepararea secțiunilor ultrasubțiri sunt potrivite în acest scop și vor fi infectate cu bacterii nodulare.

Orez. 5. Frecvența nodulării în diferite zone ale rădăcinilor de soia inoculate cu tulpina 110 R. japonicum. Plantele au fost cultivate în pungi de plastic, pe suprafața cărora s-au făcut semne care arată poziția capacului radicular (RT) și locul de cea mai mică dezvoltare a firelor de păr (SERH). Rădăcinile a aproximativ 120 de plante au fost examinate la o săptămână după inoculare, determinându-se distanța relativă (%) de la fiecare nodul format pe rădăcina primară la RT. Pentru a determina mai ușor poziția relativă a celulelor corium neinfectate în timpul inoculării, a fost calculată mișcarea celulelor epidermice în raport cu RT.

Substante care afecteaza intensitatea proceselor initiale de infectie

Un aspect la fel de interesant al studierii ratei de dezvoltare a susceptibilității plantelor leguminoase la bacteriile nodulare este că acum este posibil să se studieze factorii care afectează rata de inițiere cu succes a infecției. Numărul de noduli care se dezvoltă deasupra vârfului rădăcinii (RT) deasupra semnului făcut pe plastic este un parametru cantitativ excelent pentru dezvoltarea infecției. De exemplu, Bhagwat (comunicare personală) a descoperit recent că nodularea de către unele rizobii pe rădăcinile de cowpea are loc direct sub etichetă dacă bacteriile au fost cultivate pe mediu împreună cu rădăcinile gazdei înainte de inoculare. Aceste rezultate sugerează că Rhizobium se poate adapta sau răspunde într-un fel la substanțele eliberate din rădăcina gazdei înainte de a dobândi capacitatea de a infecta.

La soia se poate observa contrariul. Formarea de noduli pe rădăcinile de soia deasupra marcajului RT depinde puțin de cultivarea preliminară a R. japonicum în exsudatele rădăcinilor gazdei. Cu toate acestea, nodularea are loc cu o frecvență maximă sub zona de dezvoltare a firelor de păr radiculare, deși chiar și studiile citologice au arătat că infecția care duce la formarea nodulilor are loc prin scurte, abia începând să se dezvolte firele de păr radiculare. Diferențele dintre localizarea zonei așteptate și reale de formare maximă a nodulilor ne-au condus la concluzia că există o anumită perioadă de întârziere între momentul primei interacțiuni a celulelor radiculare cu bacteriile și momentul declanșării unui proces de infecție cu succes. în ele. Evident, această perioadă de întârziere poate fi scurtată prin pretratarea rădăcinilor cu polizaharida celulară a bacteriilor nodulare. N-acetilgalactoza, o posibilă haptenă polizaharidă a lectinei de somn, este de asemenea eficientă în acest sens. Astfel de experimente sunt dificil de reprodus exact, dar am găsit modalități de a controla majoritatea variabilelor în schimbare.

Distanța relativă dintre noduli și marcajul de la vârful rădăcinii (RT)

Fig.6. Influența exsudatului de cowpea asupra dezvoltării bacteriilor nodulare:

1 bacterie pe exsudatele radiculare; 2 - bacterii pe un mediu nutritiv sintetic.

Orez. Fig. 7. Influența filtratului liber de celule de Rhizobium tri-folii asupra formării nodulilor în zona firelor de păr mature ale trifoiului. Rădăcinile de trifoi au fost pre-tratate cu 100 μl de apă (4) sau filtrat de cultură timp de 6, 14 și, respectiv, 24 de ore (1, 2, 3 în grafic, respectiv) înainte de introducerea inoculului. Numărul de noduli. formate în zona rădăcinilor cu fire de păr mature la momentul inoculării au fost determinate zilnic timp de o săptămână.

Un fenomen similar a fost observat la rădăcinile de trifoi. Dacă cultura de R. trifolii este spălată, resuspendată în apă distilată timp de o oră și apoi filtrată, filtratul fără celule reduce semnificativ timpul necesar nodulării în zona firelor de păr mature ale rădăcinii atunci când rădăcinile sunt tratate cu acest filtrat înainte de inoculare. . Este interesant de observat că același tratament al rădăcinilor de trifoi nu a afectat în mod semnificativ timpul de formare a nodulilor în zona fără fire de păr de rădăcină.

Filtratul acționează asupra nodulării doar în zona firelor de păr mature ale rădăcinii, influențând aparent al doilea tip de infecție, caracteristic trifoiului, dar neobservată la soia, cowpea sau lucernă.

Compușii activi prezenți în suspensiile filtrate de R. trifolii sau în exsudatele rădăcinii de cowpea nu au fost încă identificați. Cu toate acestea, descoperirea acțiunii lor confirmă punctul de vedere conform căruia recunoașterea reciprocă a bacteriilor nodulare și a gazdelor lor este un complex de reacții care apar între simbioți de tip semnal-răspuns.

Capacitatea infectioasa a celulelor RHIZOBIUM

Doar anumite celule ale rădăcinilor de leguminoase sunt susceptibile la infecția cu rizobie, iar susceptibilitatea depinde de timpul și faza de dezvoltare a plantei. Ce se poate spune despre bacteriile nodulare? Infectivitatea Rhizobiumului depinde de timp, faza de dezvoltare sau mediu? Influența exsudatelor de rădăcină de cowpea asupra nodulării de către rizobie sugerează că cel puțin unele specii de bacterii trebuie să sufere anumite modificări înainte de a putea provoca infecție. Desigur, chiar și în aceeași cultură, celulele Rhizobium pot diferi unele de altele în multe feluri. De exemplu, ele pot avea diferite abilități de încapsulare, motilitate, faze ale ciclului celular și număr de corpuri polari. Este posibil ca infecțiozitatea să depindă de una sau mai multe dintre aceste caracteristici specifice. Din datele de mai sus rezultă că, spre deosebire de sinteza EPS, încapsularea în sine nu pare să fie asociată cu infecțiozitatea. Potrivit unor studii recente, capacitatea infecțioasă a bacteriilor nodulare nu depinde de mobilitatea acestora.

Lucrările efectuate în laboratorul nostru au permis să se stabilească că infecțiozitatea R. japonicum depinde în mare măsură de vârsta culturii. Culturile de tulpini 110 și 138 de R. japonicum, care au atins faza de creștere staționară, și-au pierdut rapid capacitatea de a provoca nodulări peste marcajul RT. Evident, în această fază, bacteriile sunt mai puțin pregătite sau capabile să provoace un proces infecțios în timpul inoculării decât celulele din faza exponențială. Nu se cunoaște baza acestei schimbări spre sfârșitul fazei exponențiale. Studiul efectului dozei de inocul asupra procesului de nodulare a arătat că culturile din tulpina 110 R. japonicum, aflate în faza timpurie sau târzie de creștere staționară, pot induce nodularea la fel de rapid și intens ca și culturile aflate în faza de creștere exponențială. , cu toate acestea, pentru inocularea plantelor, este necesar mai mult inocul de culturi vechi.

Prin urmare, diferențele de infecțiozitate între culturile de bacterii în faza exponențială sau staționară a creșterii sunt mai degrabă cantitative decât calitative. Culturile în fază staționară par să conțină proporțional mai puține celule capabile să inducă rapid infecția.

Un alt aspect al formării asociațiilor simbiotice merită atenție. Graficele frecvenței nodulării arată o slăbire a intensității acestui proces în părțile inferioare ale rădăcinilor, care la momentul inoculării erau cu 5-10 ore mai tinere decât zonele cu activitate maximă de formare a nodulilor. Evident, plantele de soia au un mecanism de reglare cu acțiune rapidă care servește la prevenirea dezvoltării unui număr excesiv de noduli pe rădăcini. A doua posibilă explicație este că scăderea numărului de noduli în părțile inferioare ale rădăcinilor poate fi asociată cu o scădere a numărului de bacterii din aceste părți. Cu toate acestea, dacă aceleași rădăcini au fost reinoculate la 10-12 ore după prima aplicare a bacteriilor, nu au avut loc modificări în formarea nodulilor, adică nu a fost nevoie de creșterea numărului de bacterii. În același timp, dacă inoculul primar a fost aplicat numai pe partea superioară a rădăcinii fără fire de păr și pe zona de păr tineri, în curs de dezvoltare, unde alungirea rădăcinii a fost complet sau în mare parte finalizată, atunci inocularea secundară a determinat formarea de noi noduli. Acest experiment arată că mecanismul de reglare cu acțiune rapidă în somnul plantei implică un anumit tip de interacțiune între Rhizobium și acele celule gazdă care sunt localizate în zona de alungire rapidă a rădăcinii din apropierea vârfului său.

Prezența unui mecanism de reglare cu acțiune rapidă în plantele de soia și, eventual, de cowpea și lucernă creează un strat suplimentar de complexitate și organizare în influența dinamică a fazelor de dezvoltare și a mediului asupra dezvoltării timpurii și succesului infecțiilor cu rizobii.

Literatura folosita: Boli infectioase ale plantelor: baze fiziologice si biochimice / Per. din engleza. L. L. Velikanova, L. M. Levkina,
V. P. Prohorov, I. I. Sidorova; Ed. si cu prefata.
Yu. T. Dyakova. - M.: VO Agropromizdat, 1985. - 367 p.

Descărcați rezumatul: Nu aveți acces pentru a descărca fișiere de pe serverul nostru.

În cantități mari ($72\%$), dar este neutru (absolut inaccesibil de asimilat plantelor).

$10\%$ din plantele din familia leguminoaselor intra in simbioza cu bacteriile (bacteriile au fost gasite si pe radacinile familiei de arin din familia Mesteacanului).

Bacteriile nodulare aparțin genului Rhizodium. Principala lor proprietate este capacitatea de a fixa azotul molecular din aerul atmosferic și de a sintetiza compuși organici care conțin azot. Aceste bacterii, intrând în simbioză cu plantele leguminoase, sunt capabile să formeze noduli pe rădăcinile lor. Ele transformă azotul gazos în compuși ușor disponibili pentru absorbția plantelor, iar plantele cu flori, la rândul lor, furnizează nutrienți pentru bacterii. De asemenea, acest tip de bacterii joacă un rol important în procesul de îmbogățire a solului cu azot.

Dimensiunea bacteriilor nodulare este de 0,3 $ - 3 $ microni. Au o formă rotunjită, consistență mucoasă, transparente. Spre deosebire de alte bacterii, acestea nu formează spori, sunt capabile să se miște și au nevoie de oxigen pentru a funcționa normal.

După ce au pătruns în părul rădăcină al unei plante, bacteriile stimulează diviziunea intensivă a celulelor radiculare, în urma căreia se formează un nodul. Bacteriile înseși se dezvoltă în acești noduli și participă la procesul de asimilare a azotului. Acolo se transformă, dobândind o formă ramificată - un bacteroid, care absoarbe azotul molecular, nitrații, aminoacizii și sărurile de amoniu. Mono și dizaharidele, acizii organici și alcoolii servesc ca sursă de carbon pentru bacteriile nodulare.

De asemenea, plantele furnizează bacteriilor nutrienți organici vitali. Această formă de simbioză are un efect pozitiv asupra ambelor organisme - simbioți:

• bacteriile au posibilitatea de a-și parcurge ciclul de dezvoltare în mod normal;
• planta se dezvolta normal, primind in cantitati suficiente cel mai necesar nutrient mineral - azotul.

Observație 1

O astfel de sursă de nutriție a plantelor se numește biologică, iar leguminoasele sunt numite o cultură care îmbogățește solul (după K.A. Timiryazev).

Spre deosebire de majoritatea plantelor, leguminoasele nu numai ca nu saracesc solul, dar il si imbogatesc cu compusi de azot. Îmbogățirea are loc în timpul cultivării plantelor leguminoase (lupini, mazăre, soia, trifoi, lucernă, măzică, trifoi dulce) și descompunerea ulterioară a rădăcinilor și frunzelor acestora.

După ce rădăcinile plantelor leguminoase mor, bacteriile nodulare nu mor, ci duc un stil de viață saprofit.

Bacteriile cu noduli sunt capabile să absoarbă până la 300$ kg de azot din aerul atmosferic per $1$ hectar de leguminoase, în timp ce mai mult de $50$ kg de compuși care conțin azot rămân încă în sol.

Observația 2

Diferite forme de bacterii au o predispoziție specifică la dezvoltarea anumitor reprezentanți ai leguminoaselor pe rădăcini: Rhizodium Leguminosarum - în mazăre, fasole furajeră, măzică; Rh. Meliloti - în trifoi dulce, lucernă; Rh. Japonicum - în boabe de soia; Rh. Trifolium - în trifoi.

Semnificația și perspectivele simbiozei bacteriilor și leguminoaselor

Acest tip de simbioză este foarte important în natură și, mai ales, în timpul cultivării plantelor, deoarece le oferă acestora o valoare nutritivă și o productivitate sporită și, în același timp, reînnoirea solului și o creștere a fertilității acestuia.

Plantele leguminoase stau la baza agriculturii alternative moderne - fara utilizarea ingrasamintelor sau cu introducerea lor in doze mici.

K.A. Timiryazev a remarcat că plantele leguminoase au pătruns peste tot unde ajung conceptele agricole solide. Însă nu există prea multe descoperiri în istorie care să fie atât de utile omenirii precum utilizarea trifoiului și a plantelor leguminoase în general în asolamentul pentru a putea crește productivitatea agricolă atât de dramatic.

Plantele leguminoase sunt acum cultivate pe scară largă în întreaga lume. Semnificația lor este mare și va rămâne așa și chiar crește, deoarece sunt o sursă de azot ecologic și economic (practic liber).

În secolul $XXI$, în prezența tehnologiilor foarte dezvoltate de producere a îngrășămintelor minerale (cele mai importante dintre ele sunt azotul), până la două treimi din azotul folosit în agricultura mondială provine din surse biologice, în principal din cauza leguminoaselor. plantele și simbioții lor - bacterii fixatoare de azot cu noduli . În noduli are loc cea mai importantă reacție biochimică pentru simbioză: conversia azotului molecular din aer în nitrați și apoi în amoniu.

Folosind rezultatele studiilor moderne ale relației bacteriilor simbionte cu plantele, microbiologii și-au propus o sarcină importantă pentru viitor - să determine modalități de a crea comunități pentru a îmbunătăți nutriția minerală a plantelor cu azot biologic. Această simbioză este un sistem cu diferite interacțiuni, dintre care majoritatea sunt asociate cu o creștere a plasticității genetice a organismelor, care poate duce chiar la apariția unor forme fundamental noi de viață. Simbioza oferă naturii o astfel de oportunitate, iar aceasta este o parte esențială a noii doctrine moderne a simbiozei.

Observația 3

Pentru a crește numărul de bacterii nodulare și, în consecință, a randamentului de leguminoase, se adaugă în sol un agent bacterian special, nitragină, la însămânțare (semințele sunt infectate artificial cu bacterii nodulare.