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.

Влажность почвы. Оптимальной для развития клубеньков является влажность – около 70% НВ. Минимальная влажность, при которой еще возможно развитие клубеньковых бактерий в почве, приблизительно равна 16% от полной влагоемкости. При влажности ниже этого предела клубеньковые бактерии обычно не размножаются, но и не погибают, а могут долго сохранятся в неактивном состоянии.

Температура. Оптимальная температура развития бобовых растений, образования клубеньков и азотфиксация не совпадает. Образование клубеньков может происходить при температуре несколько выше 0°С, азотфиксация лишь при 10°С и выше. Максимальная азотафиксация ряда бобовых растений наблюдается при 20-25°С.

Реакция почвы оказывает большое влияние на жизнедеятельность клубеньковых бактерий и образование клубеньков. Для образования клубеньков нужна слабокислая или нейтральная среда. При рН- 3,5 погибают бактерии всех штаммов Rhizobium.

Применение нитрагина. Для усиления образования и деятельности азотфиксирующих бактерий большое значение имеет заражение семян зерновых бобовых чистой культурой клубеньковых бактерий (нитрагин).

Активизируя деятельность клубеньковых бактерий, улучшает азотное питание растений микроэлемент молибден. Он входит в состав нитра-тредуктазы - фермента, влияющего на интенсивность азотфиксации. Если в почве молибдена мало (меньше 0,15 мг на 1 кг почвы), то эффек-тивность применения его может быть очень высокой. Снижает эффективность молибдена известкование, так как оно переводит молибден почвы в доступную для растений форму. Повышается эффективность молибдена и нитрагина при совместном их применении в предпосевной обработке семян.

Особенности уборки зерновых бобовых культур. Для растений с полегающими стеблями (горох, вика, чина) более приемлема двухфазная уборка, а для неполегающих растений (люпин, нут, бобы) — двухфазная и однофазная. В увлажненных районах лучшие результаты получают при однофазной уборке. Скашивают зерновые бобовые на более низком срезе, чем зерновые хлеба, а при обмолоте уменьшают частоту вращения барабана до 450-460 оборотов в минуту, чтобы избежать дробления семян.

Вопросы самопроверки

1.Роль зерновых бобовых культур в народном хозяйстве страны.

2.Фазы роста и развития зернобобовых культур.

3.Отличительные признаки зернобобовых культур по семенам, всходам, листьям, стеблям и плодам.

4.Общие биологические особенности зернобобовых культур.

5.Роль клубеньковых бактерий бобовых культур в повышении плодородия почвы в Северном Казахстане.

Литература

1 Растениеводство// Под ред. академика ВАСХНИЛ П.П.Вавилова – М., Агропромиздат, 1986.

2 Аринов К.К., Шестакова Н.А. «Растениеводство Северного Казахстана». Астана, 2009г.

3 Аринов К.К., Мусынов К.М., Апушев А.К., Серекпаев Н.А., Шестакова Н.А., Арыстангулов С.С. Растениеводство (на каз.яз.). Алматы, 2011.

4 Коренев Г.В. Растениеводство с основами селекции и семеноводства: учебник и учеб.пособие/ Г.В. Коренев, П.И. Подгорный, С.Н. Щербак; под ред. Г.В. Коренева. — М.: Агропромиздат, 1990. — 575 с

5 Черноголовин В.П. Бобовые культуры в Казахстане. А-Ата, Кайнар, 1976.

6 Шпаар Д. Зернобобовые культуры /Д. Шпаар, Ф. Эллмер, Г. Таранухо и др.; под ред. Д. Шпаара. — Мн.: ФУАинформ, 2000. — 263с.

Предыдущая123456789101112Следующая

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Наряду с грибами некоторые растения вступают в симбиоти ческие отношения с азотфиксирующими бактериями , хотя это явление встречается гораздо реже, чем микориза.

Азот содержится во многих органических соединениях, поэтому все живые организмы нуждаются в регулярном поступлении его извне. Несмотря на то что большая часть атмосферы состоит из азота, его дефицит встречается повсеместно.

Это происходит потому, что в молекуле азота атомы связаны между собой очень прочными ковалентными связями, которые весьма трудно разорвать. Поэтому молекулярный азот совершенно недоступен для эука- риотических организмов и они нуждаются в более доступных его соединениях. Некоторые же прокариоты благодаря наличию у них особого nif-гена (контролирующего синтез фермента нитрогеназы) обладают способностью фиксировать атмосферный азот (более подробно об этом рассказано в разделе, посвященном метаболическим процессам в микробной клетке).

Такие микроорганизмы обладают различной степенью свободы, в связи с чем их делят на свободно- живущие и симбиотические.

К первой группе относят, в частности, анаэробные бактерии клостридии (Clostridium) и аэробные — азотобактер (Azotobacter), которые обитают в почве.

Отдельные фотосинтезирующие бактерии и сине-зеленые водоросли (которые тоже являются прокариотами) сопрягают процесс азотфиксации с фотосинтезом.

Из симбиотических азотфиксирующих бактерий наиболее известны представители рода ризобиум (Rhizobium) (греч.

rhiza — корень и bios — жизнь — в их названии очень уместно сочетаются слова «корень» и «жизнь», т.е. жизнь на корне).

Они образуют клубеньки на корнях бобовых, в связи с чем их еще называют клубеньковыми бактериями (178). Такое сожительство оказывается чрезвычайно полезным для обоих симбионтов, при котором гетеротрофные бактерии получают от растения необходимые им органические вещества, а сами фиксируют атмосферный азот и передают его корню в виде легкоусвояемых для растения соединений.

Клубеньковые бактерии рода Rhizobium избирательно инфицируют только представителей семейства бобовых, причем одни из них заражают только определенный вид, другие сразу несколько.

Для этих бактерий свойственно удивительное морфологическое разнообразие. Среди них встречаются палочковидные, овальные, кокковидные формы. Они могут быть подвижными или неподвижными.

Процесс заражения корня бактериями изучен еще недостаточно и в общих чертах выглядит следующим образом. Бактерии проникают в корень через покрытую корневыми волосками зону всасывания (). Реакцию узнавания обеспечивает белок лектин, который располагается на поверхности клеток ризодермы и бактерий.

Несмотря на то что в ткань корня могут проникать отдельные бактерии, принципиально важным фактором является плотность жизнеспособных микроорганизмов в прикорневой зоне. Полагают, что для нормального заражения необходимо 500 — 1000 бактерий у растений с мелкими семенами и, по меньшей мере, 70 000 у растений с крупными семенами. Кроме того, на процесс существенно влияют факторы окружающей среды. Оптимальной влажностью считается 60 — 70% максимальной влагоемкости почвы, уменьшение влажности приводит к прекращению размножения клубеньковых бактерий и делает их неактивными.

Те же клубеньки, которые уже сформировались, отмирают. Переувлажнение приводит к ухудшению аэрации, что также подавляет размножение бактерий. Минимальная температура, при которой происходит формирование клубеньков, может быть очень невысокой, но при этом фиксация азота не осуществляется.

Этот процесс начинается с 10°С выше нуля, достигает своего максимума при 25С и тормозится при температурах выше 30С. Заражению также препятствует высокое содержание соединений азота в окружающей корень почве.

Первоначально бактерии размножаются на поверхности корня, причем необходимые для жизнедеятельности вещества они получают из выделений корня, а также из погибших клеток корневого чехлика и корневых волосков.

Бактерии могут внедряться в ткань корня через повреждения на поверхности органа, но основным путем проникновения служат корневые волоски. Клубеньковые бактерии перерабатывают триптофан, который выделяется корневыми волосками, в фитогормон гетероауксин, что приводит к искривлению корневых волосков.

Несмотря на отсутствие нужных ферментов, бактерии размягчают стенки волосков, делая их более проницаемыми, и в итоге внедряются внутрь корневого волоска. Проникать могут как одиночные клетки (у люпина), так и целые группы. Интересно, что, хотя деформируются многие волоски, заражению подвергаются лишь немногие из них (в среднем 0,6 — 3,2% их общего числа). После проникновения бактериальные клетки начинают активно размножаться, что приводит к образованию колонии, которая в виде нитей пронизывает ткани корня.

Такие колонии получили название инфекционных нитей и состоят из бактероидов — бактериальных клеток, имеющих очень разнообразную форму (сферическую, грушевидную или разветвленную), причем их объем превышает исходную бактериальную клетку приблизительно в 10-40 раз.

Формирование корневых клубеньков осуществляется двумя способами — эндогенно и экзогенно.

Вначале под влиянием веществ, которые выделяют инфекционные нити, усиленно делятся клетки, расположенные на расстоянии 2-3 клеточных слоев от нитей, в результате формируется вторичная меристема. Это приводит к образованию первичного клубенька, в клетках которого бактерии еще отсутствуют.

В это время инфекционные нити все глубже проникают в ткани корня, причем они распространяются как по межклетникам (интерцеллю- лярно), так и проходя сквозь клетки (интрацеллюлярно).

Многократно разветвляясь, нити часто образуют причудливые фигуры.

Следующим этапом является выход бактерий из инфекционных нитей в цитоплазму растительных клеток.

Здесь бактерии активно размножаются и заполняют значительную часть объема цитоплазмы клетки-хозяина, не проникая при этом в ядро и в вакуоли. Присутствие микроорганизмов стимулирует митотические деления, причем не только инфицированных клеток, но и клеток, расположенных поблизости.

Как только растительная клетка почти полностью наполнится бактериями, она перестает делиться, но сильно увеличивается, превосходя в размерах обычную клетку в несколько раз. В итоге образуется бактероидная ткань, состоящая из зараженных и незараженных клеток. Следует отметить, что, несмотря на название, в бактероидной ткани присутствуют не бактероиды, а вполне типичные бактерии. Этот процесс довольно длителен, особенно у многолетних растений.

После этого молодой клубенек увеличивает свои размеры, поверхностный слой его клеток образует эндодерму клубенька (180). Сам он округляется и по мере роста разрывает покровную ткань корня.

В зрелом клубеньке выделяют четыре зоны: кора, меристема, бактероидная ткань и проводящие элементы, которые обеспечивают связь корневого клубенька со всем растением и осуществляют взаимный обмен веществами.

Непосредственно фиксация азота катализируется ферментом нитрогеназой, который содержит железо и молибден.

Активность генов, управляющих синтезом этого фермента, подавляется аммиаком или другими соединениями азота, содержащимися в окружающей среде, что в агрономической практике приводит к некоторым трудностям. Нитрогеназа дестабилизирует молекулу азота, после чего ферредоксин восстанавливает ее до аммиака.

Эти реакции нуждаются в энергии, которую поставляет растительный организм в виде АТР (об источнике этого соединения подробно рассказано в разделах, посвященных основным реакциям тканевого обмена и фотосинтезу).

Все реакции фиксации азота блокируются даже небольшими концентрациями кислорода, но растительные клетки являются аэробами и присутствующий в них кислород мигрирует внутрь азотфиксирующих бактерий. Однако у них присутствует красноватый пигмент — леггемоглобин (легоглобин), который по аналогии с гемоглобином животных способен временно связываться с кислородом, отделяя тем самым его от нитрогеназы. Из-за своей токсичности образовавшийся в результате фиксации молекулярного азота аммиак не накапливается в растительной клетке, а вступает в реакцию с кетоглутаровой кислотой и образует глутаминовую кислоту, та, в свою очередь, подвергаясь реакциям переаминирования, является источником других аминокислот, которые идут на построение необходимых белков.

Продолжительность функционирования клубеньков у различных растений неодинакова.

У многолетников они живут в течение нескольких лет, периодически меняя активность — функционируют в течение вегетационного периода и частично деградируют в период зимнего покоя. У однолетних бобовых клубеньки функционируют относительно недолго и с момента начала цветения постепенно отмирают. Этот процесс можно на время приостановить, если искусственно на ранних этапах удалить цветы.

При этом часть бактерий отмирает, но некоторые трансформируются в мелкие кокковидные артроспоры, и в таком состоянии они мигрируют в окружающую среду.

Азотфиксирующие бактерии снабжают легкодоступными соединениями азота не только растение-хозяина, но и в последующем значительно обогащают ими почву (так, например, люцерна может за год накопить до 600 кг N/га, поэтому бобовые часто используют с этой целью в севообороте).

Бобовые являются наиболее известными, но далеко не единственными растениями, способными вступать в симбиотические взаимоотношения с фиксирующими азот прокариотами.

Корневые клубеньки образуются на корнях некоторых голосеменных, например саговников, гинкговых и хвойных, хотя природа инфекции исследована не до конца. Растущая в тропиках трава Digitaria вступает в слабую ассоциацию с азотфиксирующими бактериями из рода Spirillum, бактерии здесь не образуют клубеньков, но располагаются в непосредственной близости от корней и взаимообмениваются с ними веществами.

В симбиоз с микроорганизмами вступают около двухсот высших растений из различных семейств, в частности ольха, облепиха, толокнянка, некоторые злаки. У многих растений клубеньки образуются не на корнях, а на листьях, но это будет обсуждаться позднее.

Инфицирование бобового растения клубеньковыми бактериями.

Для обеспечения нормального процесса инфицирования корневой системы клубеньковыми бактериями необходимо наличие довольно большого количества жизнеспособных клеток бактерий в прикорневой зоне.

Мнения исследователей в отношении количества клеток, необходимых для обеспечения процесса инокуляции, различны. Так, по данным американского ученого О. Алл ена (1966), для инокуляции мелкосеменных растений требуется 500-1000 клеток, для инокуляции крупносеменных — не менее 70 000 клеток на 1 семя.

По мнению австралийского исследователя Дж. Винцента (1966), в момент инокуляции на каждое семя должно приходиться по крайней мере несколько сотен жизнеспособных и активных клеток клубеньковых бактерий.

Имеются данные, что в ткань корня могутвнедряться и единичные клетки.

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

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

На поверхности корня имеется слой слизистого вещества (матрица), образующийся независимо от наличия в ризосфере бактерий.

Этот слой хорошо виден при исследовании в светооптическом микроскопе (рис. 147). Клубеньковые бактерии после инокуляции обычно устремляются к этому слою и скапливаются в нем (рис. 148) вследствие стимуляционного эффекта корня, проявляющегося даже на расстоянии до 30 мм.

,

В этот период, предшествующий внедрению клубеньковых бактерий в ткань корня, бактерии в ризосфере чрезвычайно подвижны.

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

О механизме проникновения клубеньковых бактерий в корень растения существует ряд гипотез.

Наиболее интересные из них следующие. Авторы одной из гипотез утверждают, что клубеньковые бактерии проникают в корень через повреждения эпидермальной и коровой ткани (особенно в местах ответвления боковых корней). Эта гипотеза была выдвинута на основании исследований Бриля (1888), вызвавшего образование клубеньков у бобовых растений путем прокалывания корней иглой, погруженной предварительно в суспензию клубеньковых бактерий.

Как частный случай такой путь внедрения вполне реален. Например, у арахиса клубеньки преимущественно располагаются в пазухах ответвлений корней, что наводит на мысль о проникновении клубеньковых бактерий в корень через разрывы при прорастании боковых корней.

Интересна и не лишена оснований гипотеза о проникновении клубеньковых бактерий в ткань корня через корневые волоски.

Путь прохождения клубеньковых бактерий через корневые волоски признает большинство исследователей.

Очень убедительно предположение П. Дарта и Ф. Мерсера (1965) о том, что клубеньковые бактерии внедряются в корень в виде мелких (0,1-0,4 мкм) кокковидных клеток через промежутки (0,3-0,4 мкм) целлюлозной фибриллярной сети первичной оболочки корневых волосков.

Электронно-микроскопические фотографии (рис. 149) поверхности корня, полученные методом реплик, и факт мельчания клеток клубеньковых бактерий в ризосфере бобовых растений подтверждают это положение.

Не исключено, что клубеньковые бактерии могут проникать в корень через эпидермальные клетки молодых верхушек корня.

По мнению Пражмовского (1889), бактерии могут проникать в корень только через молодую клеточную оболочку (корневых волосков или эпидермальных клеток) и совершенно не способны преодолевать химически измененный или опробковевший слой коры.

Этим можно объяснить, что клубеньки обычно развиваются на молодых участках главного корня и появляющихся боковых корнях.

В последнее время большую популярность получила ауксинная гипотеза. Авторы этой гипотезы считают, что клубеньковые бактерии проникают в корень благодаря стимуляции синтеза (ОІ-индолилуксусной кислоты (гетероауксина) из триптофана, имеющегося всегда в корневых выделениях растений.

С наличием гетероауксина связывается искривление корневых волосков, которое обычно наблюдается при инфицировании корневой системы клубеньковыми бактериями (рис. 150).

Источником ОІ-индолилуксусной кислоты в момент инфицирования растения, очевидно, служат не только растения, выделяющие через корневую систему триптофан, который многие виды бактерий, в том числе и клубеньковые, могут переводить в ОІ-индолилуксусную кислоту.

Сами клубеньковые бактерии, а возможно, и другие виды почвенных микроорганизмов, живущие в зоне корня, также могут участвовать в синтезе гетероауксина.

Однако принимать безоговорочно ауксинную гипотезу нельзя. Действие гетероауксина неспецифично и вызывает искривление корневых волосков у разных видов растений, а не только бобовых.

В то же время клубеньковые бактерии вызывают искривление корневых волосков лишь у бобовых растений, проявляя при этом довольно значительную избирательность. Если бы рассматриваемый эффект определялся только ОІ-индолилуксусной кислотой, то такой специфики не было бы. Кроме того, характер изменений корневых волосков под влиянием клубеньковых бактерий несколько иной, чем под влиянием гетероауксина.

Следует также отметить, что в отдельных случаях инфицированию подвергаются неискривленные корневые волоски.

Наблюдения показывают, что у люцерны и гороха искривляются и закручиваются 60-70% корневых волосков, а у клевера — около 50%. У некоторых видов клевера эта реакция отмечается не более чем у 1/4 части заражаемых волосков. В реакции искривления, очевидно, имеет большое значение состояние корневого волоска.

Растущие корневые волоски наиболее чувствительны к действию веществ, вырабатываемых бактериями.

Известно, что клубеньковые бактерии вызывают размягчение стенок корневых волосков. Однако ни целлюлазы, ни пектинолитических ферментов они не образуют.

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

Некоторые исследователи полагают, что клубеньковые бактерии проникают в корень благодаря бактериям-спутникам, продуцирующим пектинолитические ферменты.

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

Следует отметить еще одну гипотезу, по которой клубеньковые бактерии попадают в корень при образовании пальцевидного впячивания поверхности корневого волоска.

На электроннограмме среза корневого волоска, подтверждающей эту гипотезу (рис. 150, 3), виден изогнутый в виде ручки зонтика корневой волосок, в изгибе которого находится скопление клубеньковых бактерий. Клубеньковые бактерии как бы втягиваются (проглатываются) корневым волоском (подобно пиноцитозу).

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

Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня одинаков у всех видов бобовых растений и состоит из двух фаз.

В первую фазу происходит инфицирование корневых волосков. Во вторую фазу интенсивно идет процесс образования клубеньков.

Продолжительность фаз различна у разных видов растений: у Trifolium fragiferum первая фаза продолжается 6 дней, у Trifolium nigrescens — 3 дня.

В некоторых случаях очень трудно обнаружить границы между фазами.

Наиболее интенсивное внедрение клубеньковых бактерий в корневые волоски происходит на ранних этапах развития растения. Вторая фаза заканчивается в период массового образования клубеньков. Нередко внедрение клубеньковых бактерий в корневые волоски продолжается уже и после того, как клубеньки сформировались на корнях. Эта так называемая избыточная или дополнительная инфекция происходит потому, что инфицирование волосков не прекращается длительное время.

В более поздние сроки заражения клубеньки обычно размещаются ниже по корню.

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

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

Наиболее легко бактерии проходят через межклеточные пространства.

Внедриться в ткань корня может или одиночная клетка, или группа клеток бактерий. Если внедрилась отдельная клетка, она и в дальнейшем может перемещаться по ткани как одиночка.

Путь инфицирования корня одиночными клетками свойствен растениям люпина.

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

Термин «инфекционная нить» возник на основе изучения процесса инфицирования в световом микроскопе.

Начиная с работ Бейеринка, инфекционная нить стала рассматриваться как слизистая гифообразная масса с заключенными в нее размножающимися бактериями.

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

Количество инфицированных корневых волосков значительно различается у отдельных растений.

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

Процент инфицированных корневых волосков в общем количестве деформированных необъяснимо низок.

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

По способу питания бактерии можно разделить на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофами называют бактерии, которые способны синтезиро-вать органические вещества из неорганических.

Если для синтеза используется солнечная энергия, то бактерии называют фотосинтетиками, а если энергия, выделяющаяся при различ-ных химических реакциях, - хемосинтетиками.

Все автотрофы имеют две большие группы ферментов.

Одни обеспечивают синтез простых органических веществ из неорганиче-ских, а другие, используя эти вещества (глюкозу и др.), синтезируют сложные органические соединения (крахмал, муреин, белки и др.).

К бактериям-фотосинтетикам относятся Пурпурные и Зеленые бак-терии. В отличие от растений они получают водород (Н) не из воды (Н20), а из сероводорода (Н2S).

Химическими символами реакцию бактериаль-ного фотосинтеза можно записать следующим образом:

СО2+ Н2S СnН2nОn + Н20 +S

При этой форме фотосинтеза кислород не выделяется, а в клет-ках бактерий накапливается сера.

Такой тип фотосинтеза называют анаэробным.

Бактерии-фотосинтетики обитают чаще всего в водоемах на поверхности ила, а некоторые виды - в горячих источниках.

Иной характер фотосинтеза (аэробный) у цианобактерий.

Это древнейшие организмы, появившиеся на нашей планете около 3 млрд. лет назад. Обитают преимущественно в пресных водоемах, вызывая иногда «цветение воды». Некоторые виды живут в морях и океанах, а также на суше, образуя на почве, камнях и коре деревьев зеленые налеты.

Фотосинтез цианобактерий подобен этому процессу у растений, и, используя химические символы, его можно выразить таким уравне-нием:

СO2 + H2O CnH2nOn + O2

Именно цианобактерии 800 млн.

лет были единственными постав-щиками кислорода в атмосферу.

Бактерии-хемосинтетики были впервые обнаружены русским ученым С. Н. Виноградским в 1890 году. Эти бактерии используют энер-гию, выделяющуюся при окислении соединений аммиака, азота, же-леза, серы.

Бактерии-гетеротрофы используют для питания готовые орга-нические вещества, вырабатываемые организмами, либо остатками мертвых тел.

Способов получения необходимой энергии у этих бактерий два: брожение и гниение.

Гниением называют анаэробное ферментативное расщепление белков и жиров.

Если бактерии для жизнедеятельности используют остатки мерт-вых тел, то их называют сапротрофами.

Знаменитый французский мик-робиолог Луи Пастер еще в конце XIX века указал на исключительно важную роль бактерий-сапротрофов в природе. Эти бактерии совмес-тно с плесневыми грибами являются редуцентами (от лат. Reduce - возвращать). Расщепляя органические остатки до минеральных солей, они очищают нашу планету от трупов животных и остатков растений, обеспечивая живые организмы минеральными солями, и замыкают круговорот веществ в природе.

В то же время бактерии гниения, попадая на продукты питания, вызывают их порчу.

Для защиты продуктов питания от редуцентов их подвергают сушке, маринованию, копчению, засолке, замораживанию, квашению или специальным методам консервирования - пастериза-ции или стерилизации.

Луи Пастер разработал метод сохранения жидких пищевых про-дуктов (молока, вина, пива и др.), который назвали пастеризацией. Для уничтожения бактерий жидкость нагревают до температуры 65 - 70°С и выдерживают 15 - 30 минут.

Полное уничтожение бактерий достигается путем стерилизации.

При этом продукты выдерживают при 140°С около 3 часов, либо обра-батывают их газами, жестким излучением и т. д.

Патогенные бактерии вызывают такие заболевания, как холера, чума, туберкулез, воспаление легких, сальмонеллез, возвратный тиф, ангина, дифтерия, столбняк и многие другие болезни человека, а также различ-ные заболевания животных и растений.

Изучение патогенных бактерий было начато еще Л.

Пастером и получило развитие в работах Роберта Коха, Е. Смита, Данилы Самойловича, Ш. Китасато.

Издавна было известно, что бобовые растения повышают плодо-родие почвы. Об этом писали еще Теофраст и римский ученый Гай Плиний Старший.

В 1866 году известный русский ботаник и почвовед М.

С. Воро-нин обратил внимание, что на корнях бобовых растений имеются ха-
рактерные вздутия - клубеньки, которые образуются в результате жизнедеятельности бактерий.

Лишь 20 лет спустя голландский микробиолог Мартин Бейеринк сумел доказать, что бактерии поселяются на корнях бобовых растений, получая от них готовые органические вещества, а взамен дают расте-нию столь необходимый для них азот, который усваивают из воздуха.

Так был открыт симбиоз бактерий с растениями.

Дальнейшие ис-следования показали, что не только с растениями, но и с животными и даже с человеком. В кишечнике человека поселяется несколько видов бактерий, которые питаются остатками непереварившейся пищи, давая взамен витамины и некоторые другие вещества, необходимые для жиз-недеятельности человека.

Значение бактерий

Участвуют в экосистемах в разрушении мертвого органическо-го материала и тем самым принимают непосредственное участие в кру-говороте углерода, азота, фосфора, серы, железа и других элементов.

2. С активностью бактерий связаны многие процессы в природе, как симбиотическая (клубеньковые бактерии), так и несимбиотическая (азотобактерии) фиксация молекулярного азота.

Многие виды бактерий человек использует в народном хозяй-стве: получение органических продуктов в результате брожения (уксуснокислые, лактобактерии).

Служат источником для получения антибиотиков (грамицидин, стрептомицин).

4. Бактерии используются для создания новых способов получе-ния важнейших для промышленности веществ, в том числе спиртов, орга-нических кислот, Сахаров, полимеров, аминокислот и ряда ферментов.

Симбиотические бактерии кишечника млекопитающих (микро-флора) участвуют в синтезе ряда витаминов группы В и витамина К, а также расщепляют клетчатку.

6. Благодаря генной инженерии в настоящее время удалось успеш-но перенести гены человеческого инсулина в геном кишечной палочки, и уже началось промышленное получение этого гормона.

7. Многие виды бактерий служат причиной болезни растений, жи-вотных и человека.

Глава 11

ЦАРСТВО ВИРУСЫ (VIRA)

История открытия вирусов

В конце XIX века странная болезнь поражала в Крыму плантации табака.

Листья заболевших растений покрывались ржавыми пятнами, сморщивались и засыхали.

Этой болезнью заинтересовался выпускник Петербургского уни-верситета Д. И. Ивановский.

Чтобы выделить возбудителя заболевания, он растер листья больных растений, а полученный сок профильтровал через полотно.

Однако ни в процеженном соке, ни в остатке на полотне болезнетворных бактерий Д. И. Ивановский не обнаружил. В то же время процеженный сок, наносимый на листья здоровых растений, в 80% случаев вызывал характерное заболевание. Может быть, бактерии, вызы-вающие заболевания, слишком малы? Ивановский процеживает сок че-рез фарфоровый фильтр, который, как известно, не пропускает даже са-мых мелких бактерий.

И опять безрезультатно. Д. И. Ивановский делает вывод, что болезнь табака вызывают мельчайшие фильтрующиеся бак-терии, которые невозможно увидеть в оптический микроскоп.

Через несколько лет причины заболевания табака исследует гол-ландский микробиолог Мартин Бейеринк и приходит к выводу, что растения поражает…

ядовитая жидкость, которую он назвал «виру-сом» (от лат. вирус - яд). Но яд оказался весьма странным: сила любого яда зависит от его концентрации, а вот вирус Бейеринка в любом разбавлении давал одинаковый результат.

Да и источник яда оставался неизвестным.

В 1932 году профессор Уиндел Стенли (США) сумел из тонны пораженных листьев получить чайную ложку кристаллов. Натирая растворами этих кристаллов листья здоровых растений, он вызвал у них характерные заболевания. Но разве живые существа могут превра-щаться в кристаллы?

Стенли делает вывод, что вирусы - это не живые существа, а белковые молекулы.

Лишь спустя семь лет с помощью электронного микроскопа уда-лось увидеть неуловимый вирус.

Строение вирусов

Все вирусы можно рассматривать как генетические элементы, одетые в защитную белковую оболочку и способные переходить из одной клетки в другую.

Отдельные вирусные частицы - вирионы - представляют сим-метричные тела, состоящие из повторяющихся элементов.

В сердцеви-не каждого вириона находится генетический материал, представлен-ный молекулами ДНК и РНК. Велико разнообразие форм этих молекул: есть вирусы, содержащие двухцепочечную ДНК в кольцевой или линей-ной форме; вирусы с одноцепочечной кольцевой ДНК; одноцепочечной или двухцепочечной РНК; содержащие две идентичные одноцепочечные РНК.

Генетический материал у вируса (геном) окружен капсидом - белковой оболочкой, защищающей его как от действия нуклеаз - фермен-тов, разрушающих нуклеиновые кислоты, так и от воздействия ультрафи-олетового излучения.

Вирусы - инфекционные агенты

Ни один из известных вирусов не способен к самостоятельному существованию.

Лишь попав в клетку, генетический материал вируса воспроизводится, переключая работу клеточных биохимических конвейеров на производство вирусных белков: как ферментов, необходи-мых для репликации вирусного гниения - всей совокупности его генов, так и белков оболочки вируса. В клетке же происходит сборка из нуклеиновых кислот и белков многочисленных потомков одного попавшего в нее вируса.

Изучение вирусов позволило не только установить причины мно-гих заболеваний, известных с глубокой древности, но и найти способы борьбы с ними.

Поселяясь в клетках живых организмов, вирусы вызывают многие опасные заболевания растений (мозаичная болезнь табака, томатов, огурцов; скручивание листьев и др.) и домашних животных (ящур, чума свиней и птиц и т.

д.), что резко снижает урожайность культур и приводит к массовой гибели животных.

Вирусы вызывают опасные заболевания у человека (корь, оспа, полиомиелит и др.).

В последние годы к ним прибавилось еще одно заболевание - СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита).

Как известно, кишечник человека заселен множеством разнообразных бактерий, которые приносят неоценимую пользу: одни из них помогают переваривать пищу, другие являются важной частью иммунной системы.

В ходе нового исследования американские ученые обнаружили еще одну важную роль бактерий-симбионтов — они принимают участие в уничтожении вирусов. Результаты исследования опубликованы в журнале Immunity .

«В ходе экспериментов на мышах мы установили, что бактерии-комменсалы посылают особые сигналы иммунной системе при появлении в организме вирусов, — объясняет доктор Дэвид Артис (David Artis), профессор микробиологии медицинской школы Перельмана при университете Пенсильвании (Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania).

— Под влиянием этих сигналов ускоряется созревание клеток иммунной системы и повышается их чувствительность к вирусам. Без этих сигналов полноценный иммунный ответ развиться не может».

Исследователи проводили лабораторным мышам курс антибиотикотерапии, чтобы сократить количество кишечной флоры, после чего заражали их вирусом гриппа.

У таких мышей развивался крайне слабый иммунный ответ на внедрение вируса, отмечались серьезные поражения органов дыхательной системы, и болезнь зачастую заканчивалась летальным исходом. Далее ученые проанализировали гены иммунных клеток-макрофагов мышей, которых лечили антибиотиками. Они отметили заметное снижение в макрофагах активности генов, отвечающих за антивирусный иммунитет и выработку интерферонов.

К бактериям-комменсалам относится не только кишечная флора, но и колонии симбиотических микроорганизмов, обитающих на поверхности кожи, в верхних отделах органов дыхания и во влагалище.

Предыдущие исследования доказали, что люди, страдающие недостатком симбиотической флоры, подвержены развитию сахарного диабета , ожирения, рака, воспалительных заболеваний кишечника и других патологий.

Изучение взаимодействия бактерий с другими организмами – один из основных разделов микробиологии. Благодаря получению и освоению знаний об этом взаимодействии человек может определить границы влияния бактерий на окружающую среду, соответственно, и на безопасность человеческого сообщества. Симбиоз, характерный для клубеньковых бактерий, разнообразные бактериальные эндосимбиозы и экзосимбиозы – все эти процессы являются неотъемлемой частью окружающего человека органического мира и принципиально влияют на состояние объектов неорганической природы.

Виды взаимодействий

Микробиология дает несколько классификаций бактериальных симбиозов:

Отдельным порядком стоит комменсализм. Это такая связь между бактерией и другим организмом, при которой один из участников получает выгоду, а другой безразличен к установленной связи и к ее продуктам.

Совместное существование растений и бактерий представлено практически всеми видами симбиозов. Один из самых распространенных – факультативное сожительство азотфиксирующих микроорганизмов и бобовых растений.

Представители семейства азотфиксирующих бактерий Rhizobiaceae образуют на корнях бобовых растений так называемые корневые клубеньки, в которых атмосферный азот преобразуется в органические азотсодержащие соединения. Благодаря деятельности азотфиксирующих микроорганизмов ризосфера (почва вокруг корней бобовых растений) насыщается азотсодержащей органикой. Кроме того, сами бобовые растения (например, горох) потребляют продукты жизнедеятельности азотфиксирующих бактерий.

Вследствие высокого содержания органического азота в бобовых, горох, фасоль и другие продукты этой группы рекомендуются для употребления при заболеваниях кишечника и для профилактики онкологических заболеваний системы пищеварения.

Горох, богатый растительным белком, является незаменимым диетическим продуктом в тех случаях, когда пациентам не рекомендуется употреблять в пищу продукты, содержащие белок животного происхождения.Также горох улучшает обмен веществ, нормализует уровень сахара в крови, улучшает работу почек и печени.

Изучив механизм взаимодействия клубеньковых бактерий, человек определил природу полезных свойств гороха и других бобовых, и сегодня все полезные продукты данного симбиоза могут быть произведены синтетическим путем в фармацевтических и промышленных лабораториях.

Взаимодействие с человеком

Человек постоянно живет в содружестве с многочисленным бактериальным сообществом, представленным нескольким десятком основных семейств. Отсутствуют микробы только в крови и лимфе. Все остальные органы и ткани, так или иначе, вступают в контакт либо с самими бактериями, либо с продуктами их жизнедеятельности.

Желудочно-кишечный тракт

ЖКТ населен симбионтами семейства Энтеробактерии (Enterobacteriaceae). Это самое многочисленное сообщество, которое включает в себя роды кишечных патогенных и условно патогенных микроорганизмов. Также в ЖКТ имеется большое количество представителей семейства Лактобацилл (Lactobacillus) – эти микроорганизмы создают кислотную среду, которая подавляет деятельность бактериальных и вирусных патогенов; также лактобактерии очищают кишечник от гнили.

Кожные покровы

Кожа человека населена микроорганизмами в не меньшей степени, нежели ЖКТ. На коже присутствуют стафилококки эпидермидис, коринеформные бактерии, протеи, пропионибактерии, псевдомонады, кишечные микробы и другие.

Активность микробов, которые населяют кожу, зависит от наличия многих подавляющих факторов, а также факторов, которые стимулируют развитие благоприятной среды для роста определенного вида бактерий. Как только такая среда создается, сразу в этом бактериальном сообществе начинает преобладать определенная бактериальная форма, что чаще всего сопровождается инфицированием кожных покровов. При нормальных условиях, когда одна группа сдерживает другую, подобное взаимодействие является естественным биологическим щитом.

Ротовая полость

Во рту также установлено наличие бактериального симбиоза, который регулирует внутреннюю среду ротовой полости и не дает возможности активизироваться патогенной микрофлоре, тем самым защищая ткани самой ротовой полости и верхних дыхательных путей от инфекционных заражений.

Такое взаимодействие и фактическая работа бактериального сообщества по защите человека от патогенов являются универсальным саморегулирующим природным механизмом, который очень аккуратно и оперативно реагирует на все изменения внутри самого организма и в окружающей среде. Поддержание этой естественной защиты является одним из основных аспектов охраны здоровья.

Симбиоз грибов и синезеленых водорослей

Одними из самых ярких симбиозов бактерий и грибов являются примеры сожительства синезеленых водорослей (цианобактерий) и грибов. Такой симбиоз имеет форму хорошо известного лишайника.

Тело гриба является защитным корпусом для бактериального сообщества синезеленых водорослей. Оно обеспечивает защиту от высыхания и осуществляет регулярную поставку воды к бактериальным клеткам, а сами водоросли, которые являются фотосинтезирующими организмами, обеспечивают гриб органическими веществами, необходимыми ему для питания.

Такое взаимовыгодное сотрудничество синезеленых водорослей и грибов позволило лишайникам распространиться в самых сложных климатических условиях и стать одним из обязательных структурных элементов экосистем суровых районов Крайнего Севера.

Толерантность в мире растений, или Симбиоз по-новому

В мире растений существует масса примеров «терпимого» отношения друг к другу. Так, прекрасно уживаются рядом малина и крапива, пшеница и васильки. Корневые системы многих древесных растений вступают в тесную взаимосвязь с мицелием некоторых высших грибов, образуя микоризу . Одним из хрестоматийных примеров подобных взаимоотношений служит и классический симбиоз – взаимосвязь бобовых растений с азотфиксирующими бактериями. Дружественный союз клубеньковых бактерий с бобовыми сформировался очень давно, в процессе эволюционного развития. И сейчас о нем уже можно говорить как о полноценной экологической системе. Между растением-хозяином и бактериями-симбионтами происходит обмен разнообразными химическими соединениями – продуктами обмена веществ. Микробы при этом получают питание (главным образом, сахара) и энергию для собственной жизнедеятельности, отдавая взамен растению азотные соединения и физиологически активные вещества, стимулирующие его рост и развитие.

Бобовые растения, благодаря симбиозу с азотфиксирующими бактериями рода Rhizobium обогащают почву азотными соединениями. Впервые на это обратил внимание Буссенго, а доказательства фиксации азота микробами, живущими в симбиозе с бобовыми растениями, были получены немецкими учеными Хелльригелем и Вильфартом в 1886–1888 гг. Сравнивая источники азота для злаков и бобовых, они обнаружили, что бобовые, в отличие от злаков, получающих азот из минеральных веществ почвы, способны фиксировать атмосферный азот. Хелльригель объяснил подобную способность бобовых растений наличием на их корнях клубеньков, развитие которых вызывается микроорганизмами. Вывод немецкого ученого был подтвержден через несколько лет, когда голландскому бактериологу Мартину Бейеринку удалось выделить азотфиксирующий микроорганизм из клубеньков в чистой культуре. В дальнейшем была показана способность ризобий инфицировать корни бобовых и вызывать образование на них клубеньков, в которых собственно и протекает азотфиксация.

Бактерии рода ризобиум – это аэробные грамотрицательные палочки длиной 0,7–1,8 мкм, живущие в почве и на поверхности растений. При инфицировании бобовых вызывают у последних образование на корнях клубневидных образований.

Образование клубеньков у различных видов растений:

1

– азолла; 2 – клубеньки чины; клевера; вики; 3 – клубеньки на корнях арахиса; 4 – клубеньки на корнях ольхи; 5 – возникновение инфекционных нитей в корневых волосках; 6 – искривление корневых волосков бобовых в присутствии клубеньковых бактерий; 7 – клетки бактерий из клубеньков люцерны; 8 – бактероид клубеньковых бактерий клевера; 9 – клетки клубеньковых бактерий на поверхности волоска; 10 – азотобактер (делящаяся клетка); 11 – клубеньковая ткань ольхи

Молодая, подвижная микробная клетка приближается к корню на основе градиента специфических соединений, выделяемых корнем бобового растения. Белок на поверхности корневых волосков – лектин – «узнает» полисахарид наружной поверхности клеточной стенки бактерии и прочно связывается с ним. Заражение растения происходит только через молодые корневые волоски. Бактерии внедряются в самом конце или около конца волоска и растут в нем в виде инфекционной нити до его основания. Затем такие нити, одетые целлюлозной оболочкой, проникают сквозь тонкие стенки молодых клеток эпидермиса в кору корня. Натолкнувшись здесь на одну из тетраплоидных клеток коры, нить стимулирует деление этой и соседних диплоидных клеток. В результате такого разрастания тканей происходит образование клубеньков. Бактерии в клубеньках размножаются очень быстро и образуют крупные клетки неправильной формы (бактероиды ), объем которых может в 10–12 раз превышать объем свободноживущих ризобий. Бактероиды располагаются по отдельности или группами, окруженные мембраной, в цитоплазме растительных клеток. Ткань, заполненная бактериями, имеет красноватую окраску – она содержит пигмент леггемоглобин, родственный гемоглобину. Образование пигмента – это специфический результат симбиоза: простетическая группа (протогем) синтезируется бактероидами, а белковый компонент при участии растения. Молекулярный азот фиксируют только те клубеньки, в которых имеется леггемоглобин. Фиксация азота происходит только в бактероидах, причем 95% фиксированного азота в виде ионов аммония переходит в цитоплазму растения-хозяина.

Для каждого рода бобовых имеются свои разновидности (штаммы) бактерий, которые называют по названию растения-хозяина. Например, Rhizobium trifolii – клубеньковые бактерии клевера, Rh.lupini – клубеньковые бактерии люпина и пр.

Симбиотическая фиксация азота в корневых клубеньках бобовых: 1 – корень гороха с клубеньками; 2 – клубеньки в разрезе;
3 – растительная клетка в разрезе, заполненная бактериями; 4 – бактерии, находящиеся в клетках растения приобретают необычную форму; 5 – внедрение бактерий через кончики корневых волосков, и рост инфекционных нитей

Однако бобовые растения вовсе не являются монополистами в создании продуктивных связей с азотфиксирующими микроорганизмами. Так, поспорить с бобовыми по степени накопления в почве доступных соединений азота может всем известное древесное растение – ольха (Alnus ). У нее тоже обнаружены клубеньки, представляющие собой густые сплетения корней, разветвленных наподобие кораллов и прекративших рост. Однако микросимбионтами ольхи являются другие микроорганизмы – актиномицеты из рода Franckia . Система клубеньков на корнях ольхи по аналогии с микоризой носит название актиноризы. В настоящее время подобный тип взаимоотношений покрытосеменных растений с азотфиксирующими актиномицетами описан более чем для двух сотен видов, преимущественно древесных. И список этот ежегодно пополняется. Интересно то, что если в симбиозе с ризобиями макросимбионтами являются только растения семейства бобовые, то в отношении актиномицетов список семейств растений-макросимбионтов более обширен. Широко известны симбиозы с актиномицетами таких растений, как облепиха (Hippophae ), лох (Elaengnus ), восковница (Myrica ). Актиноризные растения распространены по всему земному шару, но основная их масса сосредоточена в умеренной зоне, в то время как большинство бобовых предпочитает более теплые области. Накопление азота в почве при участии таких растений может достигать 150–300 кг на 1 га в год. Актиноризный симбиоз был открыт в XIX в., но полезность растений, имеющих актиноризу, для хозяйственной деятельности людей была замечена гораздо раньше.

В течение многих веков ольху высаживали для улучшения почвы в Англии, Южной Америке, Китае и даже на Аляске. В Скандинавии традиционно для этих целей применяют облепиху. Ольха, благодаря наличию актиноризы, улучшает рост сосны, тополя, ели, дуба, ясеня.

Древесные растения-симбионты могут широко применяться для улучшения почв. Черная и серая ольха, высаженные по берегам водоемов, не только закрепляют их, предохраняя почву от размывания, но и значительно обогащают ее азотом, что, в свою очередь, стимулирует появление на ней травяного покрова.
В тропических странах для закрепления почвы и повышения ее плодородия высаживают казуарину прибрежную – тропическое растение, родиной которого является побережье Индийского океана. Кстати у этого растения клубеньки состоят из рыхлого пучка утолщенных корней с отрицательно геотропным ростом.

Уже упоминавшийся М.Бейеринк в 1925 г. обнаружил образования, подобные клубенькам бобовых, на корнях луговых травянистых растений, к семейству бобовых не относящихся. Микроорганизмы, выделенные Бейеринком из корней луговых злаков, относились к роду спирилл – Spirillium lipoferum Beijerinckii. Однако понадобилось почти полвека и немало накопленного фактического материала, чтобы на это явление обратили более пристальное внимание. В 1938 г. русский ученый В.Н. Ногтев обнаружил веретенообразные утолщения на корнях лугового лисохвоста. В 1972 г. М.З. Магавириани описал наличие клубеньков у многих растений, произрастающих на Кавказе. В основном они относились к семейству сложноцветных. Исследуя Сибирский регион, микробиологи И.Л. Клевенская и И.С. Роднюк обнаружили клубеньки на корнях более сотни видов растений, из более чем 20 семействам. Большая часть растений-симбионтов Сибири относилась к однодольным. У травянистых растений рода Gunnera клубеньки на листьях образуют азотфиксирующие бактерии рода Nostoc.

Наконец, остановимся на случае необычного симбиоза растений с микроорганизмами. Но вначале немного истории. Существует не так уж много растений среди огромного их количества, которые люди бы обожествляли. Такой чести удостоился скромный и внешне ничем особо не приметный водный папоротник азолла (Azolla ).

Во вьетнамской провинции Тхай-Пинь расположена небольшая деревушка Лаван, в которой стоит пагода, посвященная богине Азолли. Легенда гласит, что жительница деревни Лаван, вьетнамская крестьянка Ба-Хен, однажды перенесла на свое рисовое поле азоллу. И, о чудо, урожай на ее поле возрос в несколько раз. После смерти крестьянки ее стали почитать как святую, а в честь растения, которое повысило урожай риса, построили пагоду. Азоллу стали использовать как удобрение для рисовых полей. После 1945 г. она широко вошла в практику сельского хозяйства. Необычные свойства папоротника объясняются тем, что он тоже взаимодействует с микробами-азотфиксаторами и благодаря этому обогащает растущий рядом рис доступным азотом.

Необычность симбиоза азоллы с микробами состоит в том, что на корнях не образуется привычных клубеньков или иных выростов. Микробы-азотфиксаторы представлены цианобактериями из рода Anabaena . Цианобактерии занимают полость на нижней стороне листочка папоротника, недалеко от его основания. По мере роста листа и размножения цианобактерий полость заполняется, а входное отверстие зарастает. Образуется камера, в которой затем и происходит усвоение атмосферного азота, свободно проникающего через ткани листа.

Во Вьетнаме на рисовых полях часто встречается азолла перистая (A. pinnata ). Этот водный папоротник широко распространен в водоемах Австралии, тропической Африки и Юго-Восточной Азии. Для него характерна яркая красно-коричневая окраска. Способности к азотфиксации в симбиозе этого вида азоллы с анабеной впечатляющи. В лаборатории папоротник накапливает за сутки до 7 мг чистого азота на 1 г сухой массы. В поле каждый гектар, на котором растет азолла, дает до 1000 – 1400 кг азота в год. Для сравнения: наиболее продуктивная из бобовых культур – люцерна – оставляет в пахотном слое не более 400 кг азота на 1 га. Подобную высокую продуктивность можно объяснить принципиально иными механизмами функционирования системы растение – микроорганизм. Азотфиксация – процесс очень энергоемкий. Источником энергии для нее в системе бобовые – ризобии служат продукты фотосинтеза бобовых. В системе же азолла–анабена оба компонента равно участвуют в фотосинтезе, увеличивая запасы энергии, необходимые для азотфиксации. Благодаря способности к накоплению азота азолла является хорошим белковым кормом для домашних животных. Она содержит до 20–25% белка от сухой массы растений, что вдвое больше, чем у зерновых культур, а также до 35% углеводов. Во Вьетнаме азоллу выращивают в специальных водоемах, собирая по мере разрастания и скармливая скоту.

Для повышения урожая риса азоллу переносят на рисовые поля, уже залитые водой и засаженные молодыми растеньицами риса. Поверхность воды быстро зарастает азоллой, которая через некоторое время, с наступлением жаркого периода, отмирает, образуя большую массу органического удобрения. Распад биомассы папоротника после его отмирания происходит за неделю, а через месяц освободившиеся соединения азота становятся доступными растениям. При этом урожайность риса возрастает на 20%.

Родственницу азоллы перистой можно обнаружить у аквариумистов. Азолла каролинская (A.caroliniana ) – распространенное аквариумное растение. Этот вид азоллы распространен в тропиках и субтропиках Северной и Южной Америки, встречается также на западе Индии. Азолла каролинская образует на поверхности воды красивые плавающие островки. Растение очень нежное, хрупкие стебли покрыты попарно расположенными округлыми листьями от бледно-зеленого до красно-коричневого цветов. Это вид хорошо растет в тропических аквариумах с очень ярким освещением.

Литература

Самсонов С.К. В союзе с микробами. – М.: Знание, 1990.
Полевой В.В. Физиология растений. – М.: Высшая школа, 1989.
Игнатов В.В. Биологическая фиксация азота и азотфиксаторы, 1989.