V. Симбиотические связи бактерий с бобовыми. Толерантность в мире растений, или симбиоз по-новому В симбиозе с корнями бобовых растений живут

Симбиотические связи бактерий с бобовыми благодаря широкому использованию их в полевом растениеводстве, луговодстве и, частично, в лесоводстве, изучались весьма интенсивно. Установлено, что не все виды бобовых имеют на корнях клубеньки. При обобщении имеющихся данных, оказалось, что из 1285 изученных бобовых (в широком понимании этой группы) клубеньки отсутствовали у 166 (13,0%), в том числе у 77,4% изученных цезальпиновых, у 13% мимозовых и 7% - мотыльковых (Fabaceae) (E. Allen, O. Allen, 1961).

Отсутствие клубеньков на корнях не всегда означает неспособность данного вида бобовых к симбиозу с клубеньковыми бактериями, иногда это происходит из-за местных условий, неблагоприятных для образований клубеньков, или по тому, что в почве нет соответствующих рас клубеньковых бактерий. В то же время наличие клубеньков на корнях бобовых не всегда указывает на активную фиксацию азота клубеньковыми бактериями. Установлено, что многочисленные мелкие белые клубеньки на боковых корнях травянистых бобовых образованы малоэффективной расой клубеньковых бактерий, неспособной связывать атмосферный азот или фиксирующий его в незначительном количестве, в то время как крупные, окрашенные в розовый цвет клубеньки на стержневом корне обычно характеризуют энергично идущий процесс усвоения азота.

А процесс естественного отбора и сопряженной эволюции возникло много рас клубеньковых бактерий, способных выступать в эффективные симбиотические отношения с определенными видами бобовых. Значение отдельных рас клубеньковых бактерий давно было выяснено для возделываемых видов бобовых, и, в связи с необходимостью в ряде случаев вносить бактериальное удобрение (нитраты), содержащие соответствующие клубеньковые бактерии, они были разделены на ряд групп в соответствии с пригодностью для определенных видов бобовых. Принято выделять следующие расы клубеньковых бактерий по их способности к эффективному симбиозу со следующими определенными видами или группами видов бобовых:

горох, вика, кормовые бобы;

фасоль; 3) соя; 4) люпин, сераделла;

5) вигна, магу, арахис; 6) нуж; 7) клевер;

8) люцерна, донник, пажитник; 9) эспарцет;

10) лядвенец (Вознесенская, 1969).

На самом деле число рас клубеньковых бактерий значительно больше.

Выявлена специфичность рас клубеньковых бактерий в пределах уже установленных групп, в частности в "клеверной группе", например у клевера несходного, клубеньки возникают лишь при участии особой расы клубеньковых бактерий.

Эта специфичность проявляется также в значительных различиях фиксируемого ими азота в зависимости от вида клевера, с которым они связаны. В таблице 12 показано, что наиболее эффективные для клеверов лугового и ползучего расы клубеньковых бактерий для клевера подземного были наименее эффективными, и наоборот. Расы, обеспечивающие фиксацию очень значительных количеств азота при инокуляции ими клевера подземного, в симбиозе с клевером луговым и ползучим фиксировали незначительное количество азота. Все это обусловило выделение среди "клеверной группы" трех подгрупп: А - клевера ползучий, луговой, розовый, простертый, зямляничный; В - подземный, инкармантный, скученный, александрийский; С - несходный. Три подгруппы выделяют и среди "люцерновой группы".

Таблица 12.

Способность отдельных рас клубеньковых бактерий фиксировать атмосферный азот при симбиозе с различными видами клевера (содержание азота в мг на 8 растений; по White et al., 1953).

Возможность фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями и количество фиксированного азота определяются также средой - отсутствием условий, ограничивающих жизнедеятельность бактерий и бобовых растений (высокая кислотность, высокое содержание растворимого алюминия, плохая аэрация и др.), а также достаточной обеспеченностью фосфором, калием, кальцием, молибденом, серой, кобальтом, водой и др. Фиксация азота клубеньковыми бактериями снижается по мере увеличения содержания в почве растворимых форм азота, доступных для бобовых. Большое значение имеют условия освещения, поскольку клубеньковые бактерии получают от бобового углеводы, необходимые им как энергетический материал для фиксации азота, и потому зависят от фотосинтеза. При затенении резко снижается не только число клубеньков, но и их размеры, а также предельная глубина их образования.

Клубеньковые бактерии более экономно используют энергию, необходимую для фиксации азота, затрагивая 3-4 г углеводов на 1 г азота, в то время как свободноживущие азотфиксирующие бактерии затрачивают 50 - 100 и более граммов на фиксацию 1 г азота. Это связано с тем, что у свободноживущих азотфиксаторов фиксация азота происходит в процессе их роста, и потому большое количество энергии потребляется на этот рост. Кроме того, в целях создания благоприятных условий для активности нитрогеназы - фермента, участвующего в фиксации азота, для снижения парциального давления кислорода усиливается дыхание, что связано с затратой энергии. Эти расходы энергии отсутствуют у клубеньковых бактерий. Поскольку фиксация азота происходит в бактероидах, клетках, прекративших рост, а внутри клубеньков создаются благоприятные условия для активности нитрогеназы. В том числе сниженное содержание кислорода. Очень существенно то, что фиксируемый клубеньковыми бактериями азот на 90 - 95% передается бобовым растениям. Бобовые, получая связанный азот от клубеньковых бактерий, не зависят или мало зависят от обеспечения минеральным азотом почвы и потому могут успешно произрастать совместно с другими растениями на почвах, бедных доступными формами азота.

Количество азота, фиксируемого клубеньковыми бактериями бобовых, сильно варьирует от фитоценоза к фитоценозу, а в пределах конкретных фитоценозов может изменяться от года к году. Оно определяется участием бобовых в фитоценозах, условиями среды и эффективностью соответствующих рас бактерий. Для некоторых лугов в Новой Зеландии с травостоями, где преобладает клевер, отмечена фиксация азотом до 450 - 550 кг/га.

Фиксация азота в столь больших количествах возможна лишь в условиях исключительно благоприятного климата Новой Зеландии (равномерное распределение большого количества атмосферных осадков, отсутствие засух, благоприятные тепловые условия, возможность вегетации в течении всего года), когда растения в результате применения известкования и внесения удобрений произрастают в условиях благоприятных для них реакций почвы и обеспечены необходимыми зольными элементами. Однако, даже в Новой Зеландии среднее количество азота, фиксируемого клубеньковыми бактериями бобовых, входящих в состав луговых травостоев, составляло 185 кг/га (колебания достигали 85 - 340 кг/га от луга к лугу и в среднем от года к году 145 - 225 кг/га). В годы с более влажным и прохладным летом оно было выше, а в годы с сухим, более теплым летом - ниже. Данные о сходных количествах фиксируемого азота клубеньковыми бактериями бобовых получены для Ирландии (в среднем 160 кг/га) и Южной Англии (250 - 270 кг/га) и относятся к лугам, созданным путем посева трав. На природных лугах нашей страны, в травостоях которых бобовые принимают меньшее участие, количество азота, фиксируемого клубеньковыми бактериями, как правило, не более 30 - 50 кг/га. В посевах многолетних трав (бобовых или бобовых в смеси со злаками) количество фиксируемого азота обычно не превышает 200 кг/га.

Давно замечено, что бобовые благоприятно влияют на произрастающие совместно с ними злаки и другие растения, в том числе увеличивают содержание азота в их органах. На основе результатов вегетационных опытов Виртанен пришел к выводу, что такое воздействие связано с прижизненными выделениями из корней бобовых в почву значительных количеств азотсодержащих соединений. Проверка результатов опытов Виртанена, проведенная в СССР, Шотландии, США, Австралии, не подтвердила его выводов. Оказалось, что в условиях нормального фотосинтеза бобовые не выделяют в почву сколь-либо заметных количеств азотистых соединений. Лишь с ослаблением фотосинтеза (при сниженной интенсивности освещения), когда растения не располагают достаточным количеством углеводов и органических кислот для связывания всего фиксируемого клубеньковыми бактериями азота, часть его может выделяться в почву. Благоприятное влияние бобовых на другие растения можно объяснить поступлением в почву азота с их отмирающими органами, у древесных растений - в основном с опадом, у травянистых (в фитоценозах, используемых как сенокосы и пастбища) - преимущественно с отмирающими подземными органами. На пастбищах злаки получают азот бобовых из экскрементов скота, поедающих их. Так как бобовые, если фиксация азота клубеньковыми бактериями идет достаточно активно, не поглощают из почвы азот или поглощают его в незначительных количествах, на долю небобовых растений остается больше доступных форм азота, и потому они растут лучше с бобовыми, чем в их отсутствие. Совместное произрастание бобовых с небобовыми растениями оказывает благоприятное влияние на фиксацию азота клубеньковыми бактериями, так как в результате поглощения небобовыми азота из почвы содержание его доступных форм снижается до незначительных величин, что стимулирует фиксацию азота.

Биологическая фиксация азота.

Баланс доступного растениям азота на Земном шаре поддерживается за счет деятельности особой группы организмов - так называемых азотфиксаторов. В экономике природы процессам биологической фиксации азота принадлежит исключительная роль, которая по значению вполне равнозначна процессу фотосинтеза.

В группу азотфиксаторов входят свободно живущие организмы, а также организмы, способные существовать лишь в симбиозе с другими видами.

Первой в ряду свободно живущих азотфиксаторов открыта анаэробная спороносная бактерия Clostridium pasterianum. Это открытие принадлежит русскому ученому С. Н. Виноградскому (1893). Через 8 лет (1901) М. Бейеринком был открыт аэробный микроорганизм, названный азотбактером (Azotobacter).

Оба организма являются сапрофитами. Для восстановления молекулярного азота они используют энергию, получаемую ими при окислении глюкозы и других органических соединений (например, маннита). На каждый грамм сброженной глюкозы азотбактер накапливает около 15 мг связанного азота, тогда как Clostridium - не более 2 -3 мг.

Выделив азотбактер, Бейринк обратил внимание на большое сходство свойств этого микроорганизма со свойствами фотосинтезирующей бактерии Chromatium. В настоящее время установлено, что способность фиксировать азот широко распространена у различных видов бактерий. Эта функция свойственна, в частности, сульфатредуцирующим бактериям, развитие которых осуществляется в анаэробных условиях. Способностью ассимилировать молекулярный азот обладает также пурпурная бактерия Rhodospirillum rubrum (Чест и Камен).

К свободно живущим азотфиксаторам принадлежат также синезеленые водоросли (Nostoc, Phormidium). Осуществляемая ими ассимиляция молекулярного азота имеет в особенности большое значение для пресноводных бассейнов, для развития растений риса на заливаемых водой плантациях и т.п. Благодаря своей крайне четко выраженной автотрофности синезеленые водоросли способны заселять голые скалы; они развиваются на вулканической пыли, пензе и т.д.

Общий уровень азотфиксирующей активности свободно живущих организмов невысок. В зависимости от вида и условий существования они накапливают в год от 10 до 30 - 40 кг связанного азота на гектар.

Основную роль в пополнении убыли запасов связанного азота выполняют бактерии - симбиоты, в первую очередь Bacterium radicicola. В настоящее время известно, что кроме бобовых имеется еще около 100 видов других растений, на корнях которых развиваются специфические для каждого растения клубеньковые бактерии.

Химическая природа взаимодействия бобовых с клубеньковыми бактериями изучена неполно, в связи с чем ряд факторов в этой области не находит еще объяснения. Например, установлено, что клубеньковые бактерии способны восстанавливать молекулярный азот только при взаимодействии с корнями бобовых растений. Этой способности лишены бактерии, культивируемые в искусственных средах. Клубеньковые бактерии развивались на корнях бобовых растений и в том случае, если последние служили подвоем, а привоем - любое другое растение. В тех вариантах, где бобовые служили привоем, а подвоем - различные небобовые растения, бактерии не развивались.

Все это показывает, что тканям бобовых должны быть свойственны определенные особенности.

Представитель экспериментального направления в физиологии растений. Замечательный французский ученый Жан Батист Буссенго первый широко использовал в своих исследованиях по питанию метод выращивания растений в вегетационных сосудах. Точные эксперименты позволили Буссенго опровергнуть представления Либиха об азотном питании растений. Буссенго первый отметил специфические особенности бобовых растений как азотсобирателей, а вслед за тем Гельригель открыл, что эту роль бобовые выполняют в симбиозе с клубеньковыми бактериями. Большое значение имели исследования русского ботаника М. С. Воронина, который первый сформулировал представление о клубеньках как о болезненных образованиях, возникающих в результате заражения корней.

Симбиоз корней высших растений с грибами носят название микориз, симбиозы с бактериями - бактериориз. В зависимости от формы симбиотрофизма различают микоризы экто- и эндотрофные. Первые развиваются на поверхности корней, вторые проникают внутрь ткани. Классическим примером бактериотрофизма является взаимодействие бобовых растений с клубеньковыми бактериями.

Исследования микробиологов, проведенные в последние годы, значительно расширили представления о значении симбиотрофизма в процессах корневого питания растений.

Число микробных телец, приходящихся на 1 г почвы, исчисляется многими сотнями миллионов и даже миллиардами. Некоторое представление об этом дают цифры, заимствованные из работ Н. А. Красильникова:

Почвенные микроорганизмы сосредоточены в основном в зоне размещения корней.

Важное значение азотфиксирующих бактерий диктует необходимость обеспечения наиболее благоприятных условий для их развития и физиологической деятельности.

Один из путей решения этой важной практической задачи состоит в увеличекнии численности микробного населения почвы с помощью бактериальных удобрений.

Данное мероприятие в равной степени оправдывает себя в отношении как клубеньковых бактерий, так и свободно живущих азотфиксаторов.

Дело в том, что даже при длительной культуре бобовых растений, почвы, занятые ими содержат нередко недостаточное количество Bact. radicicola, в результате чего на корнях образуется мало клубеньков, либо они не образуются вовсе. В этих условиях бобовые не обогащают почву азотом, а аналогично другим растениям истощают имеющиеся в ней азотистые соединения.

Искусственное обогащение почвы клубеньковыми бактериями оказывает весьма благоприятное влияние на азотный баланс почвы и на развитие бобовых и других растений севооборота. Препарат клубеньковых бактерий, который называется нитрагином, вносят вместе с семенами бобовых при посеве. При приготовлении нитрагина следует учитывать специфичность клубеньковых бактерий.

Что такое симбиоз клубеньковых бактерий и сои? Понятие или явление, которым ученые пугают производителей, из-за чего возникает серьезная преграда в общении между ними: ученым болит, потому что их знания не восприняты, аграрии нуждаются в конретных практических ответах на свои вопросы. Так что же такое симбиоз и какие на самом деле факторы влияют на его возникновение?

Симбиоз - биологическая система, созданная бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями, результатом взаимодействия которых является формирование новых морфологических структур - корневых клубеньков. Последние превращают атмосферный азот в доступную для растений форму - это процесс сложный, многоступенчатый, что вызывает глубокие физиологические и метаболические изменения в обоих партнеров.

Одним из важнейших факторов возникновения симбиоза является наличие в ризосфере растений клубеньковых бактерий. Что это за микроорганизмы? Клубеньковые азотфиксирующие бактерии, или ризобии - это почвенные микроорганизмы, способные осуществлять процесс биологической фиксации азота. Первую классификацию ризобий разработали еще в 30-х годах прошлого века, она основывалась на способности микроорганизмов вступать в симбиотические отношения с растением-хозяином. Тогда было выделено лишь шесть видов - Rhizobium meliloti, R. trifolii, R. phaseoli, R.lupini, R. leguminosarum, R. japonicum. 50 лет спустя систематику этих микроорганизмов пересмотрели и по ряду генетических и морфофизиологических свойств и выделили новый род ризобий - Bradyrhizobium, характерной особенностью которых была низкая скорость роста. Именно представители этого вида являются микросимбионтамами исключительно растений сои.

Последний, в свою очередь, делился на три вида бактерий: Bradyrhizobium japonicum, B. elkanii, B. liaoningense.

Активное использование инокулянтов во время выращивания сои в разных странах мира, в том числе и в Украине, обусловило формирование в почвах популяций ризобий, которые в результате свободного существования и влияния различных абиотических факторов изменили свой генотип и получили новые свойства.

Так, по данным молекулярно-генетических исследований, среди них выделяют несколько групп штаммов, различающихся своими свойствами, в том числе и скоростью роста. Сегодня описаны изоляты с интенсивным ростом, которые могут наращивать биомассу, в отличие от классических представителей, уже через две, а не три с половиной суток. Еще одной особенностью таких штаммов является повышенная сапрофитная компетентность, то есть способность бактерий выживать в почве вне организма растения-хозяина, и установлен факт доминирования этих штаммов в бульбочке.

Коллекция агрономически полезных изолятов Института агроэкологии и природопользования НААН насчитывает 72 представителя бактерий рода Bradyrhizobium, среди которых штаммы, кроме свойств, которые классически исследуют ученые-микробиологи (азотфиксирующие активность, вирулентность, конкурентоспособность и т.д.), характеризуются и такими, которым обычно уделяют меньше внимания. В частности, замечено, что обработка семян сои некоторыми изолятами, кроме формирования пузырьков, способствовала улучшению развития корневой системы: происходило увеличение ее длины и массы, также росла площадь удельной поверхности корней. Кроме этого, отметили влияние инокуляции на развитие заболеваний растений сои как бактериального, так и грибного происхождения. Еще одним интересным фактом является то, что растения, инокулированных группой штаммов Bradyrhizobium со сложившимся симбиотическим аппаратом, лучше выдерживали условия пестицидного стресса, а также засуху и кислотность почвы.

Хотя большинство штаммов Bradyrhizobium не приживается в почве и выводится уже в следующем вегетационного периода, в нашей коллекции есть изоляты, которые способны не только формировать плотную популяцию, но и оказываются в достаточном количестве в течение длительного промежутка времени, в лабораторных условиях отличаются интенсивностью роста, на сутки-полтора опережая классические штаммы соевых ризобий.

Благодаря проверке сотен комбинаций из разных изолятов нам удалось создать эффективную композицию, которая не только обладает всеми характерными для инокулянта полезными свойствами, но и имеет ряд специфических, например существенный синергический эффект между биоагентами.

Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных факторов, влияющих на образование симбиоза, следует подчеркнуть, что формирование и функционирование симбиотических взаимодействий между растениями сои и азотфиксирующими бактериями, - процесс двусторонний. Поэтому действие любого внешнего фактора следует рассматривать не только с позиции влияния на бактерии, как это делают сейчас производственники и многие ученые, а комплексно, то есть по влиянию на обоих участников симбиоза.

Важным фактором формирования симбиотических отношений является генотип растения. Именно он провоцирует образование пузырьков, отвечает за их количество и размер.

Ведение селекции только по интенсивному типу (получение высоких показателей урожайности, содержания белка, масличности) без учета таких адаптивных свойств, как способность к симбиозу, устойчивость к высоким температурам, кислотности почвы и т.д., приводит к целенаправленному отбору в агробиоценозе. Следствием этого является появление устойчивых рас сорняков, а это, в свою очередь, приводит к прогрессирующей необходимости внесения гербицидов. Кроме этого, растет численность и негативное влияние вредителей и фитопатогенов, к тому же появляются виды, которые ранее не были характерны для агроценозов, в частности сои. Конечно, это требует внесения большого количества инсектицидов, акарицидов, фунгицидов. Поэтому для создания высокоэффективного симбиоза нужна постоянная селекция и обновление как сортов растений, так и штаммов микроорганизмов, основанная на принципах их комплементарности.

Еще одним элементом целенаправленного отбора является применение веществ, отвечающих за процесс образования пузырьков, этим самым вызывая снижение активности сортов к самостоятельному продуцированию сигнальных веществ, в частности флавоноидов, а у ризобий - соответствующих сигналов, например Nod-фактор, «сообщает» растению о наличии этих бактерий в прикорневой зоне почвы. После этого растение образует корневые клубеньки, где и «поселяются» бактерии, которые питаются ее питательными веществами и благодарят тому, что превращают азот в форму, доступную для потребления культурой.

Создание и существование симбиоза предусматривает пошаговое участие каждого из партнеров, но использование специальных «вспомогательных» веществ может привести к нарушению программы, заложенной природой, которая успешно функционировала десятки, даже сотни тысяч лет.

С экономической точки зрения мы становимся заложниками таких технологий, поскольку можем потерять генотипы как растений, так и микроорганизмов, способных самостоятельно создавать эффективный симбиоз.

Важным фактором, который нужно рассматривать с позиции обоих партнеров симбиоза, является кислотность почвы. Некоторые производители ошибочно считают, что сою нельзя выращивать на почвах с рН менее 5-5,5, поскольку клубеньковые бактерии при такой кислотности «не работают». Однако современные исследования говорят обратное: на различных типах почв из пузырьков бобовых растений выделяют ризобии, которые толерантны как к сильнокислым (3), так и к щелочным (8,5) значениям рН почвы. Это объясняется тем, что способность бактерий приспосабливаться к условиям окружающей среды, как правило, выше, чем у растений, поскольку и диапазон их существования значительно шире.

Что же происходит на самом дела? В почвах с рН менее 5,5 соединения алюминия гидролизуются с образованием токсичной формы алюминия трехвалентного, высокая концентрация которого является основным сдерживающим фактором жизнеспособности всех растений в 67% почв. Токсическое действие заключается в подавлении деления клеток корней, их удлинении и уменьшении доступности макроэлементов.

Низкие значения рН почвы пагубно влияют не столько на ризобии, сколько на проницаемость мембран растительных клеток, в результате чего бактерии не могут проникнуть внутрь. Для пузырьков рН-чувствительным периодом является начало инфекционного процесса, причем наиболее уязвимым является этап прикрепления ризобий к корневых волоскам. Нарушается обмен сигналами между растением-хозяином и микросимбионтом. Происходит снижение секреции растениями флавоноидов, что влияет на синтез соответствующих сигналов бактерий. Снижение сигналинга приводит к блокированию таких фаз, как деформация корневого волоска и его скручивания.

Как растения, так и ризобии уязвимы к высоким температурам на начальных этапах онтогенеза и установление симбиоза. В дальнейшем даже при высоких температурах, 30...35 °С, процесс образования пузырьков продолжается. Однако азотфиксации при таких условиях не происходит. Растения питаются преимущественно благодаря потреблению минерального азота, поэтому его наличие в почве в физиологическом оптимуме обеспечит формирование высокого урожая растений сои. Особое внимание и эффективность приобретают в таких условиях внекорневые подкормки растений сои невысокими дозами азота.

Ризобии, содержащиеся в почве, в основном устойчивы к краткосрочным периодам засухи. Недостаток влаги негативно влияет прежде всего на растительный организм. Неблагоприятное воздействие проявляется в нарушении процессов фотосинтеза, что приводит дефицит углеводов. Запускаются механизмы сохранения, и все питательные элементы расходуются на построение и развитие корневой системы, а именно новых корешков для «поиска» воды.

Таким образом недостаток углеводов в растении снижает активность уровня азотфиксации, что вызывает некротические процессы в клубеньках. После нормализации водного обмена в растении, которое поддалось влиянию стресса от засухи, старые клубеньки уже не восстанавливают свои функции. В то же время на периферийных корешках корневой системы образуются новые, более мелкие, клубеньки, уровень фиксации азота которых значительно ниже, чем потерявших жизнеспособность.

Еще одним фактором влияния на процесс симбиоза, который, кстати, вызывает наибольшие дискуссии, является применение пестицидов. Ученые нашего института исследовали ряд пестицидов по их влиянию на ризобии, процесс создания и функционирования симбиоза и в целом на растения сои.

Так, например, гербициды на основе глифосата в целом не влияют на сами бактерии. Их подавление происходит только при высоких концентрациях действующего вещества, однако наблюдается торможение нитрогеназной активности, особенно при недостатке влаги.

Биоагенты препарата Ризоактив были толерантными к пестицидам на основе ацетохлора, однако отмечали незначительное снижение количества пузырьков, что, впрочем, не сказывалось на продуктивности растений.

Однозначные выводы относительно негативного влияния пестицидов на симбиоз сделать трудно, так как при одних условиях пагубное воздействие наблюдается, других - совсем не проявляется. Для уверенности мы предлагаем проверку каждого препарата, который вы планируете использовать в технологиях выращивания сои, в нашей аккредитованной лаборатории.
В этой статье мы осветили тему симбиоза клубеньковых бактерий и растений сои, поскольку именно ее раскрытие дает ответы на вопросы, которые неоднократно звучали в процессе общения и активного сотрудничества с производителями на семинарах, в исследовательских экспедициях и непосредственно на полях наших клиентов. Надеемся, что полученные знания станут агропроизводителям полезны при выращивании сои и будут способствовать получению высоких и устойчивых урожаев.

Я. Чабанюк , д-р с.-г. наук, завотдела агроэкологии и биобезопасности,

І. Бровко , завлаборатории экологии микроорганизмов,

Институт агроэкологии и природопользования НААН

Информация для цитирования

Факторы существования симбиоза b. japonicum - соя / Я. Чабанюк, И. Бровко // Пропозиция. - 2017. - №3. - С. 36-37

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

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

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

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

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

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

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

Замечание 1

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

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

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

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

Замечание 2

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

Значение и перспективы симбиоза бактерий и бобовых растений

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

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

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

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

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

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

Замечание 3

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

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

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

Замечание 1

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

Замечание 2

Значение и перспективы симбиоза бактерий и бобовых растений

Замечание 3

Rhizobium (от греческих слов riza — корень и bios — жизнь) — гетерогенная группа азотфиксирующих бактерий, живущих в почве, в корневых узелках растений семейства бобовых в симбиозе с ними. Клубеньковые бактерии не могут независимо фиксировать азот, и требуют для этого растение-хозяина. Эти бактерии не создают монофилетической группы, но все они принадлежат к грам-отрицательных, подвижных, палочковидных бактерий, которые не образуют споры.

История

Первый вид ризобий (Rhizobium leguminosarum) был идентифицирован в 1889 году, и все последующие виды были отнесены к роду Rhizobium. Однако, более поздние методы анализа заставили пересмотрели эту классификацию и сейчас многие из этих бактерий отнесены к другим родам. Срок Rhizobium все еще иногда используется как единственное от срока клубеньковые бактерии (rhizobia). Наибольшее количество исследований сделана на видах, симбиотических с культурными представителями семейства бобовые (например, клевер, бобы и соя). Однако, в последнее время некоторые данные были получены также для диких видов бобовых.

Таксономия

Клубеньковые бактерии принадлежащих к 57 видам в 12 родах. Наибольшее количество относится к ряду Rhizobiales, что предположительно является монофилетическая группой протеобактерий. Однако, в рамках этой группы они отнесены к нескольким разным семействам:

Семья	Роды
Rhizobiaceae	Rhizobium (включая Allorhizobium), Sinorhizobium / Ensifer
Bradyrhizobiaceae	Bradyrhizobium
Hyphomicrobiaceae	Azorhizobium, Devosia
Phyllobacteriaceae	Mesorhizobium, Phyllobacterium
Brucellaceae	Ochrobactrum
Methylobacteriaceae	Methylobacterium
Burkholderiaceae	Burkholderia, Cupriavidus
Oxalobacteraceae	Herbaspirillum

Все эти группы также включают значительное число других бактерий, которые не относятся к ризобий. Например, патоген растений Agrobacterium — ближе родственник Rhizobium, чем клубеньковые бактерии, живущие в корнях сои (они, вероятно, не входящих в одного рода). Гены, отвечающие за симбиоз с растениями, однако, могут быть ближе, чем сами организмы; вероятно они были приобретены путем горизонтального переноса генов.

Важность для сельского хозяйства

Несмотря на то, что многие фиксированного азота оставляет землю со сбором богатого белками урожая, существенное количество может остаться в почве для будущих урожаев. Это особенно важно, когда азотные удобрения не используются, как при выращивании органических продуктов или в менее промышленно странах. Именно азота из всех неорганических веществ больше всего не хватает во многих почвах во всем мире и именно азот — основной компонент, необходимый для обеспечения нормального роста растений. Поставка азота через удобрения создает целый ряд экологических проблем. Поэтому, фиксация азота бактериями рода Rhizobium очень полезна для окружающей среды.

Симбиоз

Клубеньковые бактерии применяют уникальный механизм для возможности существования в симбиозе с бобовыми растениями, таких, как горох, бобы, клевер и сою. Клубеньковые бактерии живут в почве, где они сталкиваются с корнем боба. Если он имеет необходимый набор генов, может осуществиться симбиоз. Клубеньковые бактерии входят в волокна корня и поступают в центр клеток этого волокна. Здесь, размножаясь, клетки растения формируют узелок. Бактерии морфологически дифференцируются в бактероиды и начинают усваивать атмосферный азот, переводя его в пригодные для употребления растениями формы. В ответ растение кормит бактерий сахаром и белками.

Симбиоз бобовых с клубеньковые бактерии — классический пример мутуализма — клубеньковые бактерии поставляют аммиак или аминокислоты к растениям и в ответ получают органические кислоты (главным образом, дикарбоксильни кислоты малат и сукцинат) в качестве источника углерода и энергии — но эволюционная постоянство этого процесса — действительно удивительная. Поскольку несколько несвязанных линий заражают каждую индивидуальную растение, любая линия может переприсвоиты ресурсы от фиксации азота для своего собственного размножения без убийства родной растения, от которой они все зависят. Но такая форма обмана должна одинаково соблазнять все линии, классическая трагедия общин. Кажется, что бобовые растения могут направлять развитие ризобий к увеличению мутуализма, сокращая поступление кислорода узелки, которые фиксируют меньше азота, таким образом сокращая частоту мошенничества в следующем поколении.