АГРОИНФормация

Агропортал - все для специалистов агропромышленного комплекса

Симбиотическая фиксация азота у бобовых растении

В корневую систему бобовых растений проникают специфические бактерии, образующие на ней клубеньки. Эти микроорганизмы получили название «клубеньковых бактерий». Между бактериями и растениями устанавливаются симбиотические отношения. Бактерии питаются органическими соединениями, синтезированными растением, а растение получает из клубеньков связанные соединения азота.

На рисунке 35 показаны клубеньки разных растений. Они неодинаковы по форме и величине.

Бобовые растения принадлежат к порядку Leguminosae, имеющему несколько семейств. Клубеньки образуются лишь у представителей семейства Papilionaceae.

К бобовым растениям относится около 10 000 видов, 200 из которых используют в сельском хозяйстве. Они играют большую роль в обогащении почвы азотом и в получении сельскохозяйственной продукции, богатой высококачественным белком.

Выделенные в 1888 г. М. Бейеринком из клубеньков ряда бобовых растений бактерий относятся к роду Rhizobium. Клубеньковые бактерии отдельных растений несколько отличаются друг от друга. Поэтому род Rhizobium следует рассматривать, как целую группу родственных микроорганизмов. Эти бактерии представляют собой грамотрицательные неспорообразующие аэробные палочки шириной от 0,5 до 0,9 мкм и длиной от 1,2 до 3 мкм. Наблюдения свидетельствуют о возможности появления в культурах Rhizobium в цикле их развития мелких форм, проходящих даже через фильтры Беркфельда.

Представители рода Rhizobium имеют жгутики. Одни из них являются монотрихами, другие — перитрихами. При старении клубеньковые бактерии теряю подвижность, и переходят в состояние так называемых опоясанных палочек, у которых при обработке анилиновыми красителями хорошо окрашенные участки протоплазмы чередуются с плохо окрашенными (рис. 36). Это зависит от того, что с возрастом бактериальная клетка наполняется жировыми включениями, не воспринимающими окраску. Молодые клетки Rhizobium красятся равномерно.

Как в бактериологических средах, так и в клубеньках при старении культуры Rhizobium образуются утолщенные, разветвленные, грушевидные или почти сферические образования. Они значительно крупнее обычных клеток клубеньковых бактерий. Подобные увеличенные в размерах клетки называются бактероидами. Бактероиды неподвижны и не способны к размножению. Многие исследователи считают бактероиды инволюционными формами. Тем не менее, наиболее энергичный процесс усвоения азота в клубеньках отмечается тогда, когда клубеньковые бактерии принимают форму бактероидов. Поэтому можно предположить, что бактероиды, особенно молодые, сохраняют ряд физиологических функций в активном состоянии. Цикл развития бактероидов изучен В. К. Шильниковой.

На бактериологических питательных средах клубеньковые бактерии отдельных видов бобовых растений растут с различной скоростью. Так, клубеньковые бактерии клевера, гороха, фасоли и люцерны растут быстро, а бактерии сои, люпина, арахиса и вигны — медленно. На плотных средах клубеньковые бактерии обычно образуют бесцветные прозрачные слизистые колонии, иногда с шероховатой поверхностью.

В качестве источника азота клубеньковые бактерии могут использовать различные соединения — соли аммония и азотной кислоты, многие аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, биурет и т. д. На обычных средах в чистых культурах клубеньковые бактерии не усваивают молекулярный азот. В последние годы установлено, что на специфических питательных средах при отсутствии кислорода чистые культуры Rhizobium усваивают некоторое количество молекулярного азота.

Клубеньковые бактерии могут ассимилировать разнообразные углеводы, в том числе и некоторые полисахариды (декстрин, гликоген). При усвоении углеводов некоторые культуры образуют кислоты. Им доступны также многие органические кислоты и многоатомные спирты.

Необходимый фосфор клубеньковые бактерии усваивают из минеральных и органических соединений. Калий, кальций и другие элементы они получают из неорганических веществ. Клубеньковым бактериям нужны также железо, некоторые микроэлементы (молибден и др.).

Клубеньковые бактерии лучше развиваются, если в среде имеются витамины группы В. Ряд витаминов (тиамин, B12, рибофлавин) и ростовые вещества (гетероауксин, гиббереллины, цитокинины и т. д.) эти бактерии синтезируют сами.

Для большинства культур Rhizobium оптимальное значение pH находится в пределах 6,5-7,5, а при pH 4,5—5 и 8 их рост приостанавливается. Имеются указания, что встречаются культуры Rhizobium, относительно устойчивые к кислой среде и образующие клубеньки в почвах, pH которых около 5.

Оптимальная температура для большинства культур Rhizobium около 24—26° С, температуры ниже 5°С и выше 37°С приостанавливают их рост. У экологических рас Rhizobium не наблюдается смещения минимальной и максимальной температурных точек. У северных культур лишь несколько ниже лежат оптимальные температуры.

Отдельные культуры Rhizobium характеризуются избирательностью (специфичностью) по отношению к растению-хозяину. Это свойство легло в основу систематики клубеньковых бактерий, которая выделяет следующие виды Rhizobium: Rh. Leguminosarum — бактерии гороха, вики, кормовых бобов, чечевицы; Rh. phaseoli — фасоли; Rh. japonicum — сои; Rh. vigna — вигны, маша, арахиса; Rh. cicer—нута; Rh. lupini — люпина; Rh. trifolii — клеверов; Rh. meliloti — люцерны, донника, тригонеллы; Rh. simplex — эспарцета; Rh. lotus — лядвенца; Rh. robinii — акации.

В некоторых случаях наблюдается не только видовая, но и сортовая специфичность клубеньковых бактерий. У клубеньковых бактерий гороха, клевера, люцерны и эспарцета сортовая специфичность выражена слабо, а у бактерий соевых бобов, люпина и бобов она проявляется резче.

Видовая специфичность клубеньковых бактерий иногда нарушается. Отдельные культуры Rhizobium дают перекрестное заражение, то есть инфицируют разные, иногда не столь близкие виды бобовых растений. Растения, зараженные неспецифическими культурами Rhizobium, слабо фиксируют атмосферный азот. Поэтому явление перекрестного заражения считается нежелательным.

Принципиально важно то, что клубеньковые бактерии, внедряясь в растение, вызывают, образование у него иммунитета, препятствующего дальнейшему заражению корневой системы. Поэтому старая ткань корня, особенно верхняя часть главного корня, бывает густо покрыта клубеньками, а на более молодых корнях клубеньков нет, или имеются только мелкие.

Растение, зараженное неспецифической расой Rhizobium, препятствует проникновению в корень свойственной ему культуры клубеньковых бактерий.

В последнее время большое внимание уделяли механизму «узнавания» растения-хозяина и микроба-спутника. Исследованиями установлено, что на поверхности клеточной стенки бобовых растений имеется белок, к которому избирательно «прилипают» лишь специфические клубеньковые бактерии. Очевидно, бактерии присоединяются к белку, находящемуся на поверхности корневого волоска, через полисахариды (липополисахариды) своей клеточной оболочки. Предполагается, что в ответ на действие полисахаридов бактерий на клеточной стенке бобового растения появляется «антитело-белок», названный лектином. Он связывает полисахариды оболочки Rhizobium. По-видимому, бактериальные полисахариды тождественны полисахаридам поверхности растительных клеток, что объясняет специфичность их связывания.

Отмеченными факторами определяется способность клубеньковых бактерий входить в контакт с корневой системой бобовых растений и затем проникать в ткани корня, размножаться там и вызывать образование клубеньков. Это свойство клубеньковых бактерий называется их вирулентностью.

Энергичное усвоение азота может быть лишь в том случае, если растение инфицируется вирулентной культурой Rhizobium, которая должна быть конкурентоспособной в почве и не угнетаться другими микроорганизмами. Вирулентность — это природное свойство культуры, но она может быть повышена искусственно пассированием культуры клубеньковых бактерий через растение, воздействием на них мутагенов и т. д. При определенных условиях клубеньковые бактерии могут снизить или полностью утратить вирулентность.

Существенное свойство клубеньковых бактерий — их активность (эффективность), то есть способность в симбиозе с бобовыми растениями ассимилировать молекулярный азот. В почве могут быть штаммы клубеньковых бактерий эффективные, неэффективные и переходные между ними. Заражение бобовых растений эффективными штаммами клубеньковых бактерий способствует активной фиксации азота. Неэффективный штамм дает образование клубеньков, но фиксации азота в них не происходит. Эффективность клубеньковых бактерий изменяется в зависимости от внешних условий. Особенно легко происходит потеря эффективности бактерий при длительном их культивировании на искусственных питательных средах или в неблагоприятных почвенных условиях. Добиться превращения неэффективных рас в эффективные трудно.

На рисунке 37 показано влияние разных по активности культур Rhizobium На клевер.

Клубеньки, образованные активными и неактивными расами Rhizobium, различаются по ряду признаков. Это, прежде всего разное распределение клубеньков по корневой системе растений. Активные расы клубеньковых бактерий образуют многочисленные клубеньки на главном корне, а на боковых их бывает мало. Клубеньки, образованные активными культурами, окрашены в розовый цвет. Эту окраску придает им пигмент, химический состав которого близок к составу гемоглобина крови. Он называется леггемоглобином (или легоглобином), то есть гемоглобином бобовых растений. Леггемоглобин находится 'в вакуолях растительной клетки и легко удаляется из них водой. По-видимому, леггемоглобин способствует процессу усвоения азота, поддерживая окислительно-восстановительное состояние на определенном уровне. Клубеньки, возникшие при инфекции неактивными расами Rhizobium, обеднены леггемоглобином и имеют зеленоватый цвет. В бактероидах активных культур не накапливается гликоген, в то время как в бактероидах неактивных штаммов он всегда содержится.

Изоэлектрическая точка ткани клубенька, образованного активными культурами, лежит значительно ниже (pH около 3—4), чем в ткани клубенька, возникшего под влиянием неактивного штамма (pH около 6—6,5). Имеются и другие различия в свойствах активных и неактивных клубеньков.

Рассмотрим процесс образования клубеньков на корнях бобовых растений. На развивающемся в почве корне бобового растения размножается обильная микрофлора, свойственная ризосфере растений, в том числе и специфические для данного вида растений клубеньковые бактерии. Внедрение бактерий в корни растений происходит преимущественно через корневые волоски.

Среди разнообразных продуктов, выделяемых корневой системой, имеются небольшие количества триптофана. Под влиянием клубеньковых бактерий триптофан превращается в индол-3-уксусную кислоту. Последняя вызывает своеобразное изменение формы корневых волосков, которые изгибаются в виде ручки зонтика. Клубеньковые бактерии проникают в корневой волосок в точках, где оболочка оказывается проницаемой для них. Существенную роль в улучшении проницаемости оболочки корневого волоска играет фермент полигалактуроназа. В незначительных количествах он всегда находится в корневых волосках и, очевидно, вызывая частичное растворение компонентов оболочки, позволяет клетке волоска растягиваться, что облегчает внедрение Rhizobium.

В корневом волоске клубеньковые бактерии образуют так называемую инфекционную нить. Она представляет собой слизистый тяж, в который погружены размножающиеся клетки клубеньковых бактерий. Нить передвигается к основанию волоска к клеткам эпидермиса. Этот путь, равный 100—200 мкм, она проходит в течение 1—2 суток, то есть со скоростью 5—8 мкм/ч. Передвижение нити может быть обусловлено давлением, которое возникает внутри нее при развитии бактерий. Как правило, в корневом волоске образуется одна нить.

При внедрении в растительные клетки инфекционная нить покрывается оболочкой, которая формируется из целлюлозной оболочки клетки и по своим гистохимическим показателям равноценна ей. Клубеньковые бактерии способны размножаться лишь в тетраплоидных клетках коры и частично эпидермиса корня растений. Поэтому, когда инфекционная нить встречает на пути подобные клетки, то часть клубеньковых бактерий переходит в их цитоплазму и начинает там размножаться.

Инфицирование клубеньковыми бактериями цитоплазмы растительной клетки вызывает ее активное деление, а также деление соседних незараженных клеток. Усиленное размножение зараженных клеток и находящихся под их стимулирующим воздействием соседних неинфицированных клеток приводит к образованию вздутия — клубенька (рис. 38).

Клетки бактерий, перешедшие в цитоплазму растительных клеток, вытягиваются и приобретают вид опоясанных палочек. В этом состоянии они продолжают размножаться.

Затем клетки клубеньковых бактерий превращаются в бактероиды.

Бактероиды не делятся, но они значительно увеличиваются в объеме.

Постепенно набухая, бактероиды начинают занимать большую часть

Растительной клетки, которая, в свою очередь, также увеличивается (рис. 39).

В период образования бактероидов митохондрии и пластиды клетки перемещаются к клеточной оболочке и располагаются вдоль нее. В это же время в клубеньках появляется леггемоглобин.

Со временем клубеньки дегенерируют и отмирают: В этом процессе заметную роль играет опробковение клеток сосудистой системы, задерживающее обмен питательными веществами между растением-хозяином и тканями клубеньков. В клетках клубеньков появляются вакуоли. Ядро перестает окрашиваться, а бактероиды растворяются (лизируются). Лизис бактероидов происходит в период окончания активной жизни клубеньков, обычно совпадающий с некрозом клубеньков во время окончания цветения растения-хозяина.

У однолетних растений клубеньки также' однолетние, однако у многолетних они могут функционировать в течение ряда лет. К концу сезона бактероидная ткань клубеньков многолетних растений дегенерирует, но клубеньки не отмирают и на следующий год вновь начинают функционировать.

Рис. 39. Клетки клубеньковой ткани, наполненные

бактероидами клубеньковых бактерий (по Ф. Бергерсену).

Количество клубеньков на корнях бобовых растений всегда бывает более или менее ограниченным. Клубеньки содержат больше азота, чем остальные части растения. Это служит доказательством тому, что именно в клубеньках протекает процесс усвоения азота. Отсюда связанный азот перемещается в надземную часть растения. Раньше предполагали, что содержащие азот вещества освобождаются после лизиса бактериальной клетки, но более поздние исследования показали, что в период наиболее активной фиксации азота клетки клубеньков наполнены бактероидами. Следовательно, передача связанного азота из тканей клубенька в наземную часть растения происходит в период, когда бактероиды находятся в жизнеспособном состоянии.

Определенное количество усвоенного растениями азота выделяется корнями в почву. Основная часть продуктов экзосмоса представлена аминокислотами (преимущественно аспарагиновой кислотой).

Взаимоотношения между бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями, обеспечивающие хорошую и энергичную фиксацию азота, создаются при действии комплекса факторов (оптимальные влажность, аэрация, температура, pH; присутствие в доступной форме фосфора, калия, микроэлементов и т. д.). Обычно почвы содержат в достаточно большом количестве клубеньковые бактерии тех видов бобовых растений, которые имеются в составе дикой флоры данной местности или длительное время там культивируются. Если указанные растения не произрастают и не имеется родственных по инокуляционной способности видов, то свойственные им клубеньковые бактерии в данных почвах отсутствуют.

На количество клубеньковых бактерий в почве влияют ее свойства и состояние. Например, в нейтральных почвах (черноземах и др.) бактерии размножаются лучше, чем в кислых, и здесь чаще встречаются их активные формы. Окультуривание почв, особенно связанное с внесением органических удобрений, улучшает условия для размножения клубеньковых бактерий.

Исследования показывают, что неэффективные штаммы клубеньковых бактерий в почвах если не преобладают, то встречаются очень часто. По-видимому, инактивация Rhizobium вызывается комплексом неблагоприятных свойств почв: повышенной кислотностью, недостатком органических веществ и т. д.

В почвах всегда имеются фаги клубеньковых бактерий. В нейтральных и слабокислых почвах фаги более многочисленны. Они обнаруживаются в ризосфере, на клубеньках и даже на поверхности растений. Большинство фагов обладают способностью лизировать разные виды Rhizobium, но встречаются и узкоспециализированные их формы. Под влиянием фагов часть клубеньковых бактерий в почве уничтожается. Поскольку под небобовыми культурами воспроизводства Rhizobium не происходит, то уменьшение его численности может быть частично вызвано явлением бактериофагии. Некоторые культуры Rhizobium, по данным Я. И. Раутенштейна, обладают фагоустойчивостью.

Приведенные материалы свидетельствуют о том, что нередко в почвах отсутствуют или имеются ослабленные для определенных бобовых растений культуры клубеньковых бактерий. Поэтому для обеспечения эффективного симбиоза рекомендуют семена бобовых заражать проверенными, высококачественными культурами Rhizobium, специфичными для данного растения.

Следует отметить случай оригинального симбиоза Rhizobium с бобовым растением. У тропического бобового Sesbania rostrata клубеньки образуются не только на корнях, но и на стебле и в условиях влажного и жаркого климата активно фиксируют молекулярный азот.

You are here