WWW.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 17 |

«Национальная академия наук Украины Институт микробиологии и вирусологии им. Д. К. Заболотного Институт биоорганической и нефтехимии Межведомственный ...»

-- [ Страница 4 ] --

Группа исследователей под руководством В. Н. Афанасьева [36] и Ю. В. Круглова [280] из Всероссийского НИИ сельскохозяйствен Корневая система растений — сфера их взаимоотношений с микроорганизмами ной микробиологии предложили способ утилизации симтриазиновых пестицидов. Он заключается во внесении в почву биологически активного субстрата, в состав которого входят целлюлозоразлагающие микроорганизмы. Изобретение позволяет утилизировать запрещённые, невостребованные и устаревшие пестициды.

Применение мобильных установок и биореакторов повышает эффективность очистки почвы в несколько раз, но существенно повышает стоимость работы. Кроме того, сложно применять некото рые разработки на большой площади.

Несмотря на достаточное количество изобретений и идей в этой области, до настоящего времени не существует эффективных микро биологических способов переработки больших объёмов запрещённых и устаревших химических средств защиты растений. Некоторые из известных технологий приведены в табл. 22 [393].

таблица 22. технологии очистки техногенных загрязнений в почве [393] Способ получения Л. А. Головлева Штамм бактерий Изобретение отно хлорфенолов № 1775471 иммобилизированный защиты окружающей Бактерии, Mark Radosevich, Штамм М91—3, Очистка сельскохо деградирующие Olli H. Tuovi- АТСС 55551, способ- зяйственных угодий, s-триазин Способ быстрой Richard S. Hanson Смесь штаммов Разработано для галогенированных Lipscomb: Пат. бактерий, способных цидов — галоген Культуры микроорга- Heirich Steffen, низмов, применяе- Brugemann низмов расщепляют культуры разлагают мые для расщепления Holger, циклические хлор- гексахлорциклогексан гексахлорциклогексана Rollin Johanna, и других полихлори- Mensel Wolfram:

рованных цикличес- Пат. Германии ких углеводородов, № 4212479 получения таких Предусмотрено Способ восстанов- S. A. Сеса, Загрязнённую почву ления почв, загряз- Ch. Schultz: обрабатывают распы нённых углеводо- Пат. Франции лением питательных родами и иными № 9506715 А1 компонентов типа Аппарат для культи- Д. К. Зыкова, Аппарат содержит Используется для вирования микро- B. C. Барбота, наклонно установ- улучшения организмов Н. С. Зыкова, ленный барабан с культивирования Биореактор для Г. В. Лебедев: Биореактор содержит Используется для разложения расти- А. с. СССР, цилиндрическую переработки расти Азотфиксирующие микроорГАнизмы в микробно-рАстительных системАх Биологическая фиксация молекулярного азота — фундаменталь ная проблема, разработка которой необходима для пополнения азот ного фонда почв, поддержания и повышения почвенного плодородия и обеспечения населения планеты экологически чистыми продуктами питания. Растения способны усваивать минеральные соединения азота, содержание которых в почве часто ограничено. Поэтому роль симбиотических, ассоциативных и свободноживущих азотфиксирую щих микроорганизмов, способных переводить молекулярный азот атмосферы в усвояемую растениями форму, оказывается решающей в улучшении питания растений.

Микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот, называются д и а з о т р о ф а м и. Если молекулярные механизмы фиксации азота разными диазотрофами схожи, то биология самих диазотрофов весьма различна. Рост, развитие, взаимодействие этих микроорганиз мов с растениями и почвой имеют свои характерные черты.

Свойством диазотрофии обладают исключительно п р о к а р и о т ы — представители большинства таксономических групп бактерий и архей с разнообразными физиологическими особенностями. Микроорганиз мы, способные фиксировать молекулярный азот, присутствуют прак тически во всех экосистемах, поскольку имеют преимущество в осво ении различных экониш с низким содержанием азота. Предполагается, что гены азотфиксации часто передаются путём горизонтального пере носа от одного вида или рода микроорганизмов к другому [480].

Возможность такого переноса экспериментально подтверждена осущест влением конъюгационного переноса nif-генов от Klebsiella к Escherichia.

Также возможен горизонтальный перенос симбиотических генов от одного вида ризобий другому (например, от биоагента инокулянта эндемным ризобиям других видов) [612].

Биологическая азотфиксация представляет собой сложный процесс, в котором участвуют ферменты, восстанавливающие азот, а также множество регуляторных белков, кодируемых 20 генами, распо ложенными в 7 или 8 оперонах [203, 485]. За трансформацию моле кулярного азота в минеральные и органические соединения отвечает нитрогеназный комплекс [485, 810].

Известно четыре типа нитрогеназ: классическая Mo-зависимая и три альтернативных — V-, Fe- и супероксидзависимая. Из мутанта Azotobacter vinelandii выделен Mn-содержащий белок, предположитель но являющийся динитрогеназой [811].

Ферментный комплекс классической нитрогеназы состоит из двух субъединиц: MoFe-белка, кодируемого генами nifD и nifK, и Fe-белка, кодируемого геном nifH. Последний является одним из наиболее консервативных функциональных генов, а филогения бактерий, осно ванная на анализе последовательностей этих генов, согласуется с данными анализа генов 16S рРНК [1178, 1183].

Как сам фермент нитрогеназа, так и процесс фиксации атмос ферного азота (N2) отличаются высокой чувствительностью к моле кулярному кислороду. Это позволяет понять, почему как у свобод ноживущих азотфиксирующих бактерий, так и в ткани клубеньков есть особые механизмы, защищающие нитрогеназу от высокого парциального давления кислорода.

Нитрогеназы разных азотфиксаторов различаются молекулярной массой, содержанием металлов и состоят из нескольких субъединиц.

Молекулярная масса (м.м.) MoFe-белка различных нитрогеназ нахо дится в пределах 200—250 кДа. Фермент содержит два атома молиб дена, 28—34 атома железа и 18—24 атома серы в одной молекуле.

Молекулярная масса Fe-белка колеблется от 50 до 70 кДа. Этот компонент нитрогеназы содержит атомы железа и серы [711].

Mo-зависимая нитрогеназа — один из наиболее медленно рабо тающих ферментов (1 об./1,5 с при температуре 23° С). Поэтому активные диазотрофы синтезируют большое количество этого фермента — до 20 % общего количества белков в клетке [321].

Количество единовременно присутствующей нитрогеназы в биосфе ре оценивается в несколько килограммов [485].

Нитрогеназа является катализатором фиксации азота в следующей реакции:

Нитрогеназная система обладает низкой субстратной специфич ностью, т. е. обладает способностью восстанавливать широкий спектр соединений с тройной связью, например, восстанавливает не только молекулярный азот (NN), но и ацетилен (НССН), азид, закись азота, цианид, нитриты, изонитрилы и протоны. На восстановлении ацетилена основан наиболее простой метод, позволяющий выявить нитрогеназу. Ацетилен восстанавливается только до этилена, который легко поддаётся количественному определению с помощью газовой хроматографии [792]. Все до сих пор исследованные азотфиксирую щие микроорганизмы и симбиотические системы способны восста навливать ацетилен.

Большинство азотфиксирующих бактерий наряду с нитрогеназой содержит и гидрогеназу (классическую), активирующую Н2. Функция Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах этой гидрогеназы заключается, по-видимому, в использовании водо рода, образующегося при фиксации молекулярного азота.

Нитрогеназный комплекс, образующий аммиак из азота воздуха, действует по физико-химическим законам очень экономно: если в среде обитания достаточно ионов аммония или нитратов, он прекра щает работу. Потребление растениями аммиака, образовавшегося при азотфиксации или восстановлении нитратов почвы, осуществляется при участии ферментов, связанных с биосинтезом первичных амино кислот, прежде всего глутаминовой, аспарагиновой кислот и их амидов. В результате азот в виде аминогрупп вовлекается в биосин тетические реакции метаболитических путей [1000].

Биологическая азотфиксация представляет собой глобальный процесс, обеспечивающий существование жизни на нашей планете [966]. Так, общая биологическая фиксация азота на Земле составля ет 17,2 · 107 т в год, что в 4 раза превышает связывание N2 в форме NH3 на предприятиях химической промышленности. По примерным подсчётам, для получения сельскохозяйственной продукции земного шара требуется ежегодно около 100—110 млн тонн азота. С мине ральными удобрениями вносится лишь около 30 % необходимого его количества. Значительная часть потребности может быть восполнена за счёт симбиотической азотфиксации, продуктивность которой составляет 100—400 кг N/га в год.

В симбиотической фиксации азота воздуха принимают участие макросимбионт — растение-хозяин и микросимбионт — клубеньковые бактерии семейств Rhizobiaceae, Phyllobacteriaceae, Bradyrhizobiaceae и Hyphomicrobiaceae. Систематика клубеньковых бактерий долгое время базировалась на специфичности, проявляемой по отношению к разным видам бобовых растений—хозяев [143, 434]. Применение современных методов таксономии (геносистематика, нумерический анализ) показа ло, что систематика ризобий, основанная на филогенетическом родстве между разными их группами, не всегда совпадает с традиционной систематикой [376, 821, 1139, 1140]. Клубеньковые бактерии подраз деляют на шесть родов: Rhizobium, Mesorhizobium, Azorhizobium, Sinorhizobium, Bradyrhizobium и Allorhizobium [627, 644, 885, 1140].

По современной классификации [627] к семейству Rhizobiaceae относят следующие роды и виды.

1. Род Rhizobium (R.), виды: R. etli, R. galegae, R. gallicum, R. giardinii, R. hainanense, R. huautlense, R. leguminosarum, R. mongolense, R. tropici, R. lupini.

2. Род Allorhizobium (А.), вид A. undicola.

3. Род Sinorhizobium (S.), виды: S. arboris, S. fredii, S. kostiense, S. medicae, S. meliloti, S. saheli, S. terangae, S. xinjiangense.

К семейству Phyllobacteriaceae относят род Mesorhizobium (М.), виды: M. amorphae, M. chacoense, M. ciceri, M. huakuii, M. loti, M. mediterraneum, M. plurifarium, M. tianshanense.

К семейству Bradyrhizobiaceae относят род Bradyrhizobium (В.), виды: B. elkanii, B. japonicum, B. liaoningense.

К семейству Hyphomicrobiaceae относят род Azorhizobium (А.), вид A. caulinodans.

Кроме перечисленных выше видов, к клубеньковым бактериям относятся [The NCBI Entrez Taxonomy, www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxono my]: к роду Rhizobium – R. alamii, R. alkalisoli, R. arachis, R. borbori, R. cellulosilyticum, R. cnuense, R. daejeonense, R. fabae, R. genosp., R. indigoferae, R. loessense, R. lusitanum, R. mesosinicum, R. miluonense, R. multigospitium, R. oryzae, R. phaseoli, R. pisi, R. selenireducens, R. soli, R. sullae, R. taeanense, R. tibeticum, R. yanglingense;

к роду Sinorhizobium – S. abri, S. americanus, S. chiapanecum, S. indiaense, S. kummerowiae;

к роду Mesorhizobium – M. albiziae, M. alhagi, M. australicum, M. caraganae, M. genosp., M. metallidurans, M. opportunistum, M. septentrionale, M. tarimense, M. thiogangeticum, M. temperatum;

к роду Bradyrhizobium – B. betae, B. сanariense, B. denitrificans, B. genosp., B. iriomotense, B. jicamae, B. pachyrhizi, B. yuanmingense;

к роду Azorhizobium – A. johannae, A. doebereinerae.

Данные роды принадлежат к -подгруппе протеобактерий, но различаются по культурально-биохимическим признакам и составу ДНК, что говорит о полифилогенетическом происхождении ризобий [832]. Многие авторы [376, 730, 743, 886, 925] считают, что их дивер генция от «общего предка» произошла задолго до появления бобовых растений. Так как последние образовались в позднем меловом или раннем третичном периоде [569], то, по-видимому, бобовые растения хозяева и сыграли основную роль в возникновении бобово ризобиального симбиоза. Ризобии образуют клубеньки на корнях растений семейства бобовых более чем 112 родов [911, 1148].

На питательных средах клубеньковые бактерии различных видов бобовых растений растут с разной скоростью. К быстрорастущим отно сятся клубеньковые бактерии гороха, клевера, люцерны, кормовых бобов, вики, чечевицы, чины, донника, пажитника, фасоли, нута, лядвенца;

к медленнорастущим — клубеньковые бактерии люпина, сои, арахиса, сераделлы, маша, вигны, эспарцета, дрока. Вполне сформи ровавшиеся колонии быстрорастущих культур можно получить на 3—4-е сутки инкубации, колонии медленнорастущих — на 7—8-е.

Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах Для обозначения вида клубеньковых бактерий принято к родо вому названию добавлять термин, соответствующий латинскому названию того вида растения, из клубеньков которого они выделены и на котором могут образовывать клубеньки. Например, Rhizobium leguminosarum biovar trifolii — клубеньковые бактерии клевера, Rhizobium lupini — клубеньковые бактерии люпина и т. д. В тех случаях, когда клубеньковые бактерии способны образовывать клубеньки на корнях разных видов бобовых растений, т. е. вызывать перекрёстное зара жение, видовое название является как бы собирательным — в нем отражена именно эта «перекрёстно заражающая» способность. Напри мер, Rhizobium leguminosarum biovar viceae — клубеньковые бактерии гороха (Pisum), чечевицы (Lens), чины (Lathyrus) (табл. 23).

Таблица 23. разделение ризобий по их способности образовывать A. caulinodans R. leguminosarum biovar trifolii R. leguminosarum biovar viceae R. phaseoli, R. etli, R. tropici R. galegae S. fredii S. meliloti M. loti B. japonicum R. lupini Морфология и физиология клубеньковых бактерий Для клубеньковых бактерий характерно поразительное разнообра зие форм — полиморфность. Они могут быть палочковидными, оваль ными;

среди этих бактерий встречаются также фильтрующиеся формы, L-формы, кокковидные неподвижные и подвижные организмы. Моло дые клубеньковые бактерии в чистой культуре на питательных средах обычно имеют палочковидную форму размером 0,5—0, 1,2—3 мкм, подвижные, размножаются делением (рис. 25). У палоч ковидных клеток клубеньковых бактерий клевера наблюдается деле ние перешнуровыванием. С возрастом палочковидные клетки могут переходить к почкованию. По Граму клетки окрашиваются отрица тельно, ультратонкая структура их типична для грамотрицательных бактерий. При старении клубеньковые бактерии теряют подвижность рис. 25. Клетка Bra- предшествует стадии формирования бактерои dyrhi zobium japonicum дов — клеток неправильной формы: утолщён [909] литературу Дж. Брунхорст в 1885 г., применив его к встречающимся в тканях клубеньков необычным по форме образованиям, значитель но более крупным, чем палочковидные клетки бактерий.

Бактероиды содержат большее количество волютиновых гранул и характеризуются более высоким содержанием гликогена и жира, чем палочковидные клетки. Бактероиды, выращенные на искусственной питательной среде и образовавшиеся в тканях клубенька, физиологи чески однотипны. Есть мнение, что бактероиды — это формы бактерий с незавершённым процессом деления. При незавершённом делении клеток клубеньковых бактерий возникают дихотомически ветвящиеся формы бактероидов. Количество бактероидов увеличивается при старе нии культуры;

их появлению способствуют истощение питательной среды, накопление продуктов обмена, внесение в среду алкалоидов.

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

Клубеньковые бактерии — микроаэрофилы — предпочитают аэробные условия, но могут развиваться и при незначительном содер жании кислорода в среде.

Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах В качестве источника углерода в питательных средах клубенько вые бактерии используют углеводы и органические кислоты;

в каче стве источника азота — разнообразные минеральные и органические азотсодержащие соединения. При культивировании на средах с высо ким содержанием азотсодержащих соединений ризобии могут утратить способность проникать в растение и образовывать клубеньки;

поэто му обычно клубеньковые бактерии выращивают на растительном экстракте (например, фасолевом или гороховом отваре) или почвен ной вытяжке. Необходимый для развития фосфор они могут получать из минеральных и органических фосфорсодержащих соединений;

источником кальция, калия и других элементов могут служить мине ральные соединения.

Многие виды клубеньковых бактерий способны синтезировать витамины группы В, а также ростовые вещества [628, 681, 694, 803].

Клубеньковые бактерии синтезируют -индолил-3-уксусную кислоту (ИУК), цитокинины, гиббереллины и гиббереллоподобные вещества, принимающие участие в процессах развития растений и образовании симбиотических связей между партнёрами ещё до образования на корнях клубеньков [358, 521, 531, 773].

Все клубеньковые бактерии приблизительно одинаково устойчивы к щелочной реакции среды (рН 8,0), но неодинаково чувствительны к кислой. Нами были получены штаммы клубеньковых бактерий, устойчи вые к недостатку влаги, хлоридно-сульфатному засолению почвы, к загрязнению тяжёлыми металлами. При этом наибольшую чувствитель ность к кадмию проявляли клубеньковые бактерии люцерны;

к меди — гороха и люпина;

к цинку — клубеньковые бактерии козлятника и сои. Наименее токсичным для ризобий является свинец [20, 29].

Симбиотические свойства ризобий характеризуются такими опре делениями, как специфичность, вирулентность, активность, конку рентоспособность и эффективность.

Каждый вид бактерий приспособлен к одному виду растения или к группе видов растений. Эта приспособленность вида клубеньковых бактерий к группе видов или определенному виду бобового растения называется с п е ц и ф и ч н о с т ь ю. Специфичность клубеньковых бактерий может быть узкой и широкой. При узкой специфичности клубеньковые бактерии заражают растения одного вида или даже сорта. Например, клубеньковые бактерии клевера заражают только группу клеверов — видовая специфичность, а клубеньковые бактерии люпина могут характеризоваться даже сортовой специфичностью — заражать только алкалоидные или безалкалоидные сорта люпина. При широкой специфичности клубеньковые бактерии, например гороха, могут заражать растения гороха, чины, бобов, а клубеньковые бакте рии чины и бобов могут заражать растения гороха, т. е. все они характеризуются способностью «перекрёстного заражения».

Не все штаммы одного специфичного вида клубеньковых бакте рий могут одинаково успешно проникать в корни растения. Некото рые штаммы отличаются высокой конкурентной способностью и образуют на корнях бобового растения много клубеньков, другие труднее проникают в корни и образуют меньше клубеньков. Следо вательно, штамм клубеньковых бактерий должен быть не только специфичным, но и вирулентным. Под в и р у л е н т н о с т ь ю подраз умевается способность клубеньковых бактерий проникать в ткань корня, размножаться там и вызывать образование клубеньков. Если специфичностью определяется спектр действия бактерий, то виру лентностью клубеньковых бактерий характеризуется активность их действия в пределах данного спектра.

Некоторые специфичные вирулентные штаммы в симбиозе с растением-хозяином интенсивно фиксируют азот воздуха, у других штаммов фиксация азота протекает медленнее и в меньшем объёме.

Способность штамма инициировать высокую интенсивность симбио тической азотфиксации называют а к т и в н о с т ь ю ш т а м м а.

В зависимости от того, в какой степени клубеньковые бактерии способ ствуют повышению урожайности бобовых культур, их принято делить на активные (эффективные), малоактивные (малоэффективные) и неак тивные (неэффективные) штаммы. Активность клубеньковых бактерий не является их постоянным свойством. Нередко в лабораторной прак тике наблюдается потеря культурами клубеньковых бактерий актив ности. При этом или теряется активность всей популяции, или появ ляются отдельные клетки с малой активностью. Снижение степени активности клубеньковых бактерий происходит в присутствии некото рых антибиотиков, аминокислот. Одной из причин утраты активности клубеньковых бактерий может быть влияние фага.

В почве в присутствии других штаммов не всегда вирулентный штамм будет первым инфицировать растение. В этом случае следует учитывать его конкурентную способность, которая нередко маскиру ет свойство вирулентности в природных условиях. Необходимо, чтобы вирулентные штаммы обладали и к о н к у р е н т о с п о с о б н о с т ь ю, т. е. могли успешно конкурировать не только с представителями местной сапрофитной микрофлоры, но и с другими штаммами клубеньковых бактерий. Показателем конкурентоспособности штамма служит количество образованных им клубеньков в процентах от обще го числа клубеньков на корнях растений. Неактивный для одного растения-хозяина штамм бактерий в симбиозе с другим видом бобо вого растения может быть вполне эффективным. Поэтому при харак Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах теристике штамма с точки зрения его эффективности следует всегда указывать, в отношении какого вида растения-хозяина проявляется его действие.

Специфичность, вирулентность и активность штамма ризобий являются основными условиями формирования эффективного симбио за. Если бобовую культуру выращивают в регионе традиционно или она встречается в естественных фитоценозах, то в почве имеются аборигенные специфичные штаммы ризобий, способные инфициро вать эти культуры. Дополнительная инокуляция в таком случае, как правило, не улучшает образование клубеньков и существенно не увеличивает количество фиксированного азота воздуха. Если же куль туру в данном районе возделывают впервые (например, люпин, сою), то в почве нет «местных» специфичных клубеньковых бактерий, поэтому перед посевом обязательно следует проводить инокуляцию, иначе клубеньки на корнях не образуются, растения не будут исполь зовать азот воздуха, возникнет азотная недостаточность и сформиру ется низкий урожай.

Прединфекционный сигналлинг между клубеньковыми роль микробных и расти тельных метаболитов отношений между ризобиями и растениями в процессах узнавания довольно сложные. В физиолого-биохимических механизмах формирования симбиотических взаимоотношений могут быть задействованы фитогормоны, пероксидазная система, каталаза, активные формы кислорода и фенольные соединения [109, 735, 736].

В формировании симбиоза возможно выделить несколько основных этапов: прединфекцию, инфекцию и развитие клубенька, функциони рование клубенька [485].

Первый этап — прединфекция, в ходе которой ризобии вступают в контакт с бобовым растением, и происходят специфические реак ции узнавания. В начале данного этапа осуществляется хемотаксис бактерий к экссудатам, которые выделяют семена и корни растений [537, 702, 770, 805, 893, 1049, 1189]. В составе экссудатов растений есть сигнальные молекулы, улучшающие адгезию и ускоряющие инициацию нодуляции [646, 893, 894].

Структурно-физиологические изменения, происходящие при формировании бобово-ризобиального симбиоза, становятся возмож ными благодаря сигналлингу, в процессе которого молекулярные сигналы продуцируются как бактериями, так и растением-хозяином [641, 805, 903, 943, 1097, 1099]. С и г н а л л и н г — процесс последо вательной выработки партнёрами по симбиозу соединений, способных индуцировать прохождение последующих стадий взаимодействия.

Взаимодействие бобовых растений с разными штаммами бактерий является специфическим, базируется на интеграции генетических систем партнёров [499] и в значительной мере зависит от свойств клубеньковых бактерий [635, 641, 682, 736, 770, 816, 941, 950, 985, 1081, 1141]. Корни бобовых растений выделяют специфические соединения, которые инду цируют транскрипцию бактериальных nod-генов. Существует как мини мум три разные группы веществ, играющих роль молекулярных сигна лов обмена между бобовыми растениями и ризобиями во время развития симбиотического аппарата (рис. 26) [644, 646, 814].

Среди веществ, которые нормально и постоянно выделяют расте ния в ризосферу, особое значение имеют флавоноидные соединения.

В обзоре литературы В. А. Тускаев [514] обобщил данные об анти микробной, противовирусной и противогрибковой активности природ ных и синтетических флавоноидов. Показано, что они могут подавлять активность трансмембранных систем патогенных микроорганизмов.

Флавоноиды взаимодействуют с протеинами ризобиальных генов нодуляции (nod-генов) и являются сенсорами и активаторами транс крипции. Гены нодуляции кодируют синтез и выделение ризобиями Nod-факторов — специализированных сигнальных молекул, пред ставленных липохитоолигосахаридами. Нередко липоолигосахариды ризобий обогащены рамнозой. Установлено, что в синтезе рамнано вого О-антигена участвуют не менее двух индуцируемых флавонои дами регуляторных пути [645]. Липоолигосахариды не только помо гают ризобиям проникать в корни, но и стимулируют синтез растениями флавоноидов и выделение их корнями [645, 648].

Корни бобовых растений постоянно выделяют наружу незначи тельное (пикомолярное) количество изофлавоноидов, в частности даидзеин, генистеин и глицитеин, а также их гликозиды. Их концен трация в ризосфере возрастает в ответ на инфицирование растений ризобиями [635, 1028, 1037, 1074, 1188]. В присутствии ризобий продукция изофлавоноидов также усиливается и уже их наномолярное количество индуцирует экспрессию генов, отвечающих за процессы нодуляции. В свою очередь, ризобии используют эти растительные продукты для своих собственных потребностей. Одни флавоноиды индуцируют экспрессию генов нодуляции (nod, noe, и nol) [647, 814], другие — экспрессию катаболических генов [679, 1035].

В работе М. S. Galan и соавт. [754] показано, что другие мета болиты растений (например, сапонины) тоже играют сигнальную роль на первичных этапах формирования симбиоза в системе R. legumi nosarum-вика и Bradyrhizobium sp.-люпин.

Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах При исследовании индуцирующих свойств флавоноидов и изофла воноидов было выявлено, что они зависят от структуры молекулы и состава заместителей. Например, присутствие ОН-группы в третьем положении флавоноидной молекулы (кампферол, фисетин, кверцетин, мерицетин) замедляет индуктивную активность nod:lac генов Rhizobium trifolii, и такие молекулы оказываются неспособными индуцировать нодуляционные гены R. meliloti. Как правило, молекулы, проявляю щие индуцирующие свойства, имеют гидроксильные группы в 3' или рис. 26. Схема сигналлинга при установлении симбиоза между бактериями и бобовыми растениями. Модель основана на взаимодействии Rhizobium sp.

NGR234 с бобовыми растениями. Флавоноид апигенин — активатор Nod D NGR234 [646] 4' положениях В-кольца. Изофлавоноиды, имеющие гидроксильную группу в 7' положении, не активируют синтез Nod-факторов R. trifolii и R. meliloti [770, 771, 1049].

Деградация флавоноидов в процессе инфекции приводит к появ лению халконов, которые могут быть более эффективными индукто рами генов нодуляции [794]. Растительная «привлекательность» для ризобий, вероятно, коррелирует со спектром фенольных веществ (особенно флавоноидных соединений), которые они выделяют.

Далее nod-гены кодируют синтез и выделение ризобиями высоко специализированных сигнальных молекул — Nod-факторов [698, 738, 895, 1100, 1104, 1147]. Они представлены липохитиновыми олигоса харидами, которые, влияя на клетки корня, провоцируют деформацию корневого волоска, что способствует проникновению ризобий в корень через инфекционные нити [685]. Под их влиянием осущест вляется дифференциация групп клеток кортекса, которые дают нача ло формированию меристемы клубенька [107, 710, 862].

Изучение структуры и механизмов биосинтеза Nod-факторов у ризобий показало, что их синтез контролируется генами вирулент ности, одни из которых являются общими для всех видов, в то время как другие являются специфическими для отдельных видов клубеньковых бактерий и даже штаммов [578]. Первая группа генов вирулентности контролирует синтез коровой части Nod-фактора, а вторая — его модификацию. Этот процесс происходит с помощью присоединения разнообразных радикалов к олигосахаридной части молекулы [934]. Возможно, что такие модификации на концах сигнальной молекулы защищают Nod-фактор от деградации расте нием [904].

Метаболиты ризобий являются ещё одной группой веществ, необходимых для развития инфекционной нити. Nod-гены этих микроорганизмов кроме синтеза сигнальных молекул кодируют также и синтез некоторых ферментов, принимающих участие в процессах биосинтеза и переноса жирных кислот, а также в моди фикации хитина. К ним относятся такие ферменты, как ацетил-, фукозил-, сульфокарбамил- и метилтрансферазы [1098]. К метабо литам ризобий, связанных с процессом инфицирования, относятся также бактериальные экзополимеры, в частности внеклеточные полисахариды [260, 646].

Согласно данным литературы, экзополисахариды (ЭПС) ризобий имеют большое значение в процессах нодуляции. ЭПС могут выпол нять разные функции: специфическую (сигнальную) и неспецифичес кую, которая не зависит от структуры и связана с прикреплением бактериальной клетки к корню растения или с формированием струк Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах туры клубеньков. Положительные результаты были получены при изучении влияния на клубеньковые бактерии синтетического поли сахарида [331]. В зависимости от типа бактериальные поверхностные полисахариды могут выполнять протекторную функцию по отноше нию к антимикробным веществам или формировать вязкий диффу зионный барьер [686, 871]. Поверхностные и внеклеточные компо ненты, включая липо- и экзополисахариды, циклические гликаны, необходимы для заражения тканей растения микросимбионтами [1186]. Кроме того, полисахаридные комплексы некоторых штаммов ризобиальных и свободноживущих азотфиксирующих микроорганиз мов играют важную роль в межбактериальных взаимоотношениях и формировании иммунитета растений [686].

Молекулярные механизмы формирования азотфиксирующих микробно-растительных систем включают функционирование лекти нов — соединений белковой природы с агглютинирующими свойст вами. Лектины — это белки неиммунного происхождения, которые способны обратимо и выборочно связывать углеводы, не вызывая их химического превращения [319]. Они могут взаимодействовать как с моно-, так и с олигосахаридами, с остатками углеводов, слож ных органических веществ — гликопротеидов, полисахаридов и гликозидов [319, 614], а также способны агглютинировать клетки [727]. Этот феномен объясняется тем, что лектины подобно анти телам в большинстве случаев являются многовалентными лигандами, и в составе их молекулы находятся, как правило, два или четыре центра связывания углеводов [846]. Однако если антитела способны распознавать только детерминанты антигенов, которые вызвали их появление и имеют уникальную структуру, то лектины распознают определенные углеводные остатки независимо от того, в состав какой молекулы они входят [319]. Число углеводсвязывающих доме нов определяет валентность лектина [846]. Следует отметить, что лектины часто распознают одновременно несколько моносахаридов;

отличия проявляются только в степени сродства лектина к тому или иному углеводу [328, 336, 751].

В последнее время появляется всё больше публикаций об участии в симбиотических отношениях лектинов почвенных бактерий. Эти вещества могут играть роль адгезинов, обеспечивая специфическое прикрепление бактериальных клеток к корням растения-хозяина [212, 216, 217, 1092, 1166]. Известно также, что лектины ризобий способ ны влиять на активность гидролитических ферментов в бактериальной клетке [833]. При формировании симбиоза важным этапом, наряду с прикреплением бактериальной клетки к корням растений, является проникновение ризобий в клетки растения-хозяина, которое сопро вождается размягчением стенок корневых волосков бобовых растений.

Этот процесс осуществляется не только благодаря гидролитическим ферментам растений, но и бактерий. При электронно-микро скопических исследованиях обнаружены чёткие зоны гидролиза клеточной стенки с адсорбированными ризобиями в месте инфекции [658]. Ризобии могут обладать пектинолитической, протеолитической, -глюкозидазной активностью, а также активностью кислой и щелоч ной фосфатаз. Доказано, что предшествующее проникновению ризо бий размягчение стенок корневых волосков (или корня) связано с их способностью продуцировать ферменты пектинразрушающего комплекса.

Нами была изучена пектинолитическая активность ризобий разных видов в условиях чистых культур и на ранних этапах коопе рирования с растением-хозяином [24, 475]. Установлено, что пекти нолитическая активность ризобий является одним из факторов, коррелятивно связанных с их симбиотическими свойствами. На этапе проникновения адгезированных клеток в корневые волоски живых растений клубеньковые бактерии проявляют пектинолитическую активность. Эффективные штаммы ризобий разных видов продуци руют протопектиназы (полигалактуроназу и пектинметилэстеразу) и могут проявлять суммарную пектинолитическую активность не толь ко при контакте с семенами и проростками растений-хозяев, а и при культивировании с небольшим количеством пектина (табл. 24). Неко торые штаммы клубеньковых бактерий люцерны, сои и люпина обра зовывали пектиназы и на средах без пектина.

Возможно, у указанных штаммов клубеньковых бактерий прото пектиназы являются индуцибельными ферментами [24, 475, 586, 1013].

Таблица 24. Пектинолитическая активность клубеньковых бактерий Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах Следует отметить, что значительное влияние на активность гидро литических ферментов оказывают собственные агглютинины ризобий.

Оказалось, что лектины ризобий уменьшают активность -глюкозидазы, пектинолитическую активность, активность кислой и щелочной фосфатаз и полностью угнетают активность протеолитических фермен тов. Л. В. Карпуниной и соавт. [211] показано положительное влия ние агглютининов ризобий гороха на активность -галактозидазы, протеолитических ферментов и мембранно-связанных дыхательных ферментов (дегидрогеназ) растительной клетки.

Таким образом, подтверждается гипотеза о кофункционировании бактериальных лектинов с литическими ферментами. Возможно, ризо биальные лектины вызывают конформационные изменения фермен та, взаимодействуя с его активным центром, что приводит к увели чению сродства фермента к субстрату и повышению ферментативной активности. Возможно также, что агглютинины ризобий влияют на синтез гидролитических ферментов.

Наряду с первоначальным контактом бактериальных и раститель ных клеток формирование бобово-ризобиального симбиоза предусма тривает функциональные взаимоотношения этих партнёров. Очевид но, агглютинины ризобий способны влиять на функциональное состояние цитоплазмы растительной клетки, взаимодействуя с белка ми мембран клеток корня [217]. Кроме того, лектины ризобий способ ны выполнять важную функцию в создании азотфиксирующей микробно-растительной системы — активизировать гидролитические ферменты растений, обеспечивая более активное расщепление основ ных компонентов клеточной стенки корней растений, создавая благо приятные условия для проникновения ризобий в ткани корня.

По активности мембранно-связанных дыхательных ферментов (дегидрогеназ) в корнях проростков гороха можно судить о состоянии мембранного аппарата растительной клетки. Показано [191], что увеличение активности сукцинатдегидрогеназы отмечается при инку бации корней растения-хозяина с лектинами ризобий. Это свидетель ствует об увеличении функциональной активности митохондрий, так как сукцинатдегидрогеназа является единственным ферментом цикла трикарбоновых кислот (ЦТК), находящимся на внутренней мембране митохондрий.

Таким образом, поверхностные белки-агглютинины ризобий являются полифункциональными соединениями, способными, наря ду с адгезивными функциями, влиять на различные ферментативные процессы как в растительной, так и в бактериальной клетке.

Показано, что белки-агглютинины, расположенные на поверх ности почвенных азотфиксирующих бактерий Bacillus polymyxa, способны взаимодействовать с полисахаридными комплексами неко торых штаммов азоспирилл и ризобий. Проявлением такого взаимо действия, возможно, объясняется образование разнообразных биоло гически активных азотфиксирующих ассоциаций в прикорневой зоне растений [211].

Согласно лектиновой гипотезе, которая объясняет механизм формирования симбиотической системы, полисахариды ризобий являются фактором, обеспечивающим «распознавание» клубенько выми бактериями соответствующего им растения-хозяина в резуль тате комплементарного связывания с растительным лектином [887].

Бактериальные полисахариды в значительной мере определяют такие важные для эффективного функционирования симбиоза свой ства, как специфичность, вирулентность и конкурентоспособность [230, 397].

Одним из проявлений биологической активности лектинов растений по отношению к бактериям является их влияние на рост, метаболизм и физиологическую активность бактериальных культур [262—264, 266, 267].

Нами [266] было проведено изучение роста четырёх штаммов R. leguminosarum в чистой культуре в обычных условиях выращивания и в присутствии лектина семян гороха сорта Уладовский юбилейный.

Установлено, что при выращивании клубеньковых бактерий в присут ствии лектина гороха у всех исследованных ризобий в той или иной мере происходит активизация ростовых процессов по сравнению с развитием бактерий в обычных условиях культивирования (рис. 27). Под влиянием лектина, добавляемого в жидкую среду в концентрации 100 мкг/мл, увеличивается максимальная скорость роста ризобий (примерно в 1,3—2,1 раза), а также происходит большее (в 1,3—2,6 раза) накопление клеточной массы по сравнению с контролем (табл. 25).

Предполагается, что в естественных условиях выделяющиеся при прорастании семян бобовых растений лектины могут оказывать стиму лирующее действие на клубеньковые бактерии. Активизация роста ризобий, вероятно, является одним из первых этапов их подготовки к процессу симбиотического кооперирования.

Л. В. Косенко и соавт. [264] изучали влияние различных доз лекти на из семян гороха на рост и биосинтез внеклеточных углеводов R. leguminosarum 250а. Установлено, что действие лектина является дозозависимым. В присутствии малых доз лектина (0,001 и 0,01 мкг/мл) уменьшалось накопление клеточной массы (на 37,4 и 30 % соответ ственно), но увеличивалась способность клеток к продукции внекле точных углеводов (на 34 и 25,3 % по отношению к массе клеток).

Большие дозы (50 и 200 мкг/мл) индуцировали увеличение биомассы Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах рис. 27. Влияние лектина Pisum sativum L. (сорт Уладовский юбилейный) на рост R. leguminosarum [266]:

І — R. leguminosarum 11;

ІІ — R. leguminosarum 250б;

ІІІ — R. leguminosarum 31;

IV — R. leguminosarum 248б;

а, в — биомасса клеток, мг/мл;

б, г — экзополиса хариды, %;

а, б — в обычных условиях культивирования;

в, г — в присутствии лектина гороха бактерий (на 22,5 и 23,2 %) и снижение их способности к синтезу внеклеточных углеводов (на 7,7 и 7 %). При изучении влияния рост стимулирующей дозы лектина (50 мкг/мл) на динамику роста R.

leguminosarum 250а показано, что в его присутствии изменились росто вые характеристики культуры, в частности в 1,5 раза увеличилась максимальная скорость роста бактерий (рис. 28).

Важной характеристикой лектинов является их углеводная специ фичность, которая отличается некоторым разнообразием, например, лектины семян гороха глюкозоспецифичны [761], а семян сои, люпина и арахиса специфичны к N-ацетилгалактозамину и галактозе [751, 869, 898], лектин коры бобовника фукозоспецифичен [318]. По структурной особенности лектинов их можно условно Таблица 25. накопление клеточной биомассы и экзополисахаридов R. leguminosarum в обычных условиях культивирования и в присутствии лектина гороха в начале стадии стационарного роста [266] разделить на три основных типа: меро-, холо- и химеролектины [1007]. Меролектины — белки, имеющие только один углеводсвязы вающий домен и не способные агглютинировать клетки. Хололекти ны состоят из двух и более углеводсвязывающих доменов. Эта груп па белков агглютинирует клетки и является самой большой группой известных растительных лектинов. Химеролектины содержат угле водсвязывающий домен, связанный с другим доменом биологической активностью.

Связывание лектинов бобовых растений с ЭПС ризобий не явля ется детерминирующим специфичность во взаимодействии симбио партнёров, потому что мутанты, дефектные по ЭПС, всё равно обра зуют клубеньки на корнях растения. Однако, в дальнейшем ЭПС необходимы для развития клубеньков [788]. Cукциногликан, синте зируемый S. meliloti Rm1021, является необходимым для проникно вения ризобий в корни люцерны. Он регулирует как образование инфекционных нитей, так и их вытягивание в процессе нодуляции.

При избыточном продуцировании сукциногликана ризобии теряют способность колонизировать закрученные корневые волоски [669].

В работе Т. Оzawa и соавт. [988] показана возможность отбора конкурентоспособных штаммов ризобий по их адгезии на поверх ности стирола. Мутанты, по сравнению с исходным штаммом, синте зировали намного меньше низкомолекулярного полисахарида, поэто му их поверхность была более гидрофобной. Такие штаммы имели большую нодуляционную активность.

Растительные лектины могут выполнять сигнально-модуляторные функции по отношению к ризобиям, влияя на их симбиотические свойства [33, 227, 264, 944].

Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах рис. 28. Динамика накопления биомассы клеток и внеклеточных углеводов в процессе роста R. leguminosarum 250а в присутствии лектина гороха [264]:

а — контроль;

б — опыт (концентрация лектина в среде 50 мкг/мл);

І — биомас са клеток, мг/мл;

ІІ — общее количество внеклеточных углеводов в культураль ной жидкости, мг/мл;

ІІІ — отношение количества внеклеточных углеводов к массе клеток, %;

IV — удельная скорость роста бактерий, ч— Нами установлено [231], что обработка семян сои комплексными инокулянтами на основе гомологичного лектина стимулировала разви тие как микро-, так и макросимбионтов и способствовала формиро ванию более мощной симбиотической системы (табл. 26).

Рядом авторов [242, 260] было проведено детальное изучение ЭПС и ЛПС семи штаммов R. leguminosarum, которые отличались симбиотическими свойствами (специфичностью, активностью азот фиксации и конкурентоспособностью). Установлено, что в составе ЭПС преобладающими сахарами являются глюкоза, галактоза, манно за, арабиноза. В состав ЛПС входит свыше десяти разных моносаха ридов. ЭПС и ЛПС клубеньковых бактерий с различной специфич ностью (симбионты гороха, вики, чечевицы) имеют значительно больше отличий по моносахаридному составу, чем полисахариды ризобий одного хозяина — кормовых бобов.

Таблица 26. влияние инокуляции семян сои клубеньковыми бактериями, инициированными гомологичным лектином, на формирование симбиотического аппарата [231] B. japonicum 634б + лектин, 500 мкг/мл 3,209±0,312 15,7±1,5 4,161±0,102 36,7±0, B. japonicum 634б + лектин, 50 мкг/мл 3,782±0,254 13,7±1,9 5,320±0,008 41,3±2, B. japonicum 634б + лектин, 5 мкг/мл 1,809±0,204 12,8±1,9 4,828±0,378 29,6±2, При изучении взаимодействия ЭПС клубеньковых бактерий, различающихся по симбиотическим свойствам, с лектинами растений было установлено, что все они проявляют лектинсвязывающую актив ность и могут функционировать как рецепторы растительных лекти нов [227, 228, 267].

Изучены химические особенности и активность взаимодействия с лектином растения-хозяина ЭПС и ЛПС клубеньковых бактерий гороха, отличающихся между собой по азотфиксирующей активности и вирулентности. Установлено, что лектинрецепторная способность ЛПС у активных штаммов была в 2 раза выше, чем у неактивных [262]. Наивысшую степень сродства с лектином гороха проявил ЭПС штамма R. leguminosarum 31, обладающего высокой активностью и достаточно большой вирулентностью, а наименьшую — ЭПС неак тивного и маловирулентного штамма R. leguminosarum 11. При изуче нии химического состава полученных препаратов ЭПС и ЛПС обна ружено, что они содержат 51,2—63,9 и 34—56,3 % углеводов соответственно. Примеси белков и нуклеиновых кислот в ЭПС составляли 1,4—2,2 и 0,1—0,6 %, а в ЛПС — 0,5—3,9 и 0,2—1 % (табл. 27).

ЭПС являются необходимыми элементами взаимодействия на ранних стадиях инфекционного процесса [538]. ЛПС специфически проявляются на более поздней стадии нодуляционного процесса при проникновении инфекционных нитей в клетки кортекса. Полисаха риды способствуют преодолению защитных реакций растений, что позволяет бактериям проникать в корни [270, 747]. Ризобиальные Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах Таблица 27. химический состав экзо- и липополисахаридов R. legumi nosarum, % от сухой массы препаратов [262] Штамм Nod-факторы и ЭПС играют ключевую роль в инициации развития инфекционных нитей и их удлинении [752, 753].

В нашей работе, проведённой совместно с Л. В. Косенко [261], установлено, что добавление к отмытым от собственных ЭПС клеткам высоковирулентного штамма ЭПС менее вирулентных штаммов пода вляет его нодулирующую активность на 25 %. И наоборот, добавление ЭПС более вирулентных штаммов к клеткам менее вирулентного штам ма увеличивает на 56—100 % количество клубеньков на корнях растения-хозяина и на 25—33 % их азотфиксирующую активность. Под влиянием ЭПС любого другого гомологичного штамма на 5—43 % увеличивалось содержание белка в урожае растений гороха в зависи мости от штамма-инокулянта и штамма, синтезирующего ЭПС. Пока зана также способность ЭПС клубеньковых бактерий гороха и кормо вых бобов образовывать неактивные клубеньки на корнях растений гороха без участия микросимбионта. Клубенёкиндуцирующая актив ность ЭПС коррелирует с вирулентностью и конкурентоспособностью их штаммов-продуцентов. Полученные данные свидетельствуют о том, что ЭПС ризобий играют важную функциональную роль не только на ранних стадиях инфекционного процесса (узнавании, адгезии), но и в реализации симбиотического потенциала клубеньковых бактерий.

ЛПС высоковирулентных ризобий также способны усиливать виру лентность менее эффективных бактерий [261]. Другими авторами установлено, что низкомолекулярные экзогликаны могут участвовать в поддержании физиологической активности и симбиотического статуса R. leguminosarum в неблагоприятных условиях окружающей среды, например, при высоком азотном фоне [265].

Значительная роль ЭПС в механизме нодуляции бобовых расте ний симбиотическими азотфиксаторами рода Rhizobium детально осве щена в работе P. van Rhijnc [1141]. Установлено, что у многих мутан тов ризобий, дефектных по синтезу ЭПС, нарушена способность формировать эффективный симбиоз [1050]. Однако сверхпродуциро вание ЭПС также может оказывать негативное влияние на развитие клубеньков. При инфицировании мутантным по ЭПС штаммом B. japonicum некоторые стадии развития клубеньков задерживаются;

конкурентная способность штамма при этом ослабевает [719].

Установлено, что ЭПС в симбиозе играют специфическую роль.

Даже незначительное количество низкомолекулярного ЭПС может выполнять сигнальные функции во время процесса нодуляции [1186].

Присутствие комплекса ЭПС с белками удваивало способность ризо бий к образованию клубеньков, масса их увеличивалась, нитрогеназ ная активность возрастала [232, 283].

Бобовые растения реагируют на прикрепление бактерий искрив лением и закручиванием корневых волосков. Дальнейший этап формирования бобово-ризобиального симбиоза характеризуется проникновением ризобий вглубь корня и инфицированием растения с последующим образованием клубеньков [485].

влияние метаболитов рас тений и фиторегулирующих вается между партнёрами — микроорганизмом веществ на клубеньковые и растением — наравне с микробными мета бактерии болитами важную роль играют метаболиты ются семенами, проростками и корнями растений. К соединениям, выполняющим роль молекулярных сигналов, относят фенольные соединения — флавоноиды, а также лектины, полисахариды, гормо ны растений и др. [485, 621, 804, 995, 1050].

В литературе имеются данные о влиянии флавоноидов на физи ологию почвенных микроорганизмов, в том числе и ризобий. Так, изучение одиннадцати веществ флавоноидной природы в концен трации от 10 до 100 мг/мл на семи культурах ризобий показало, что пизатин, куместрол, биоханин А, формононетин, генистеин, ротенон и веститол не проявляли значительного ингибирующего действия, а фазеолин и маакнаин угнетали рост клубеньковых бактерий разных видов (ЕД50 = 30—100 мг/мл). Флавоноиды медикарпин и киевитон больше угнетали рост клубеньковых бактерий сои, люпина и лядвен ца (ЕД 50 = 10—60 мг/мл) и не влияли на клубеньковые бактерии гороха, люцерны и клевера (ЕД50 = 100 мг/мл) [995]. По данным других авторов [684], изофлавоноиды сои (куместрол и даидзеин) в низкой концентрации усиливали рост ризобий сои и гороха на 15—30 %, но снижали ростовую активность почвенных псевдомонад на 20 %, а Agrobacterium tumefaciens — на 50 %.

Изучение влияния тетрагидроксифлавона лютеолина из корней люцерны, на R. meliloti показало, что данное вещество не только оказывало положительное действие на рост бактерий, но и активи зировало транскрипцию nod-генов [894]. В опытах же с горохом было Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах показано, что инокуляция корней растений гомологичными ризо биями сопровождалась значительным усилением продуцирования ими фенольных соединений, при этом гены нодуляции у ризобий угне тались изофлавоноидами растений при концентрации их в среде 5 мкМ [975].

По данным английских учёных [1159], нарингенин в дозе 10 и 100 мкмоль/мл значительно стимулировал колонизацию бактериями Azorhizobium сaulinodans латеральных корней капусты. Флавоноиды даидзеин, нарингенин, кверцетин и хризин также стимулируют разви тие A. caulinodans ORS571 в ризосфере капусты и колонизацию ими корней растения. Наибольший стимулирующий эффект по отноше нию к A. сaulinodans оказывал нарингенин [976], однако он не стиму лировал рост Azorhizobium в чистой культуре [771].

Корневые выделения гороха (Pisum sativum L.), содержащие флавоноид куместрол, значительно ингибируют нодуляцию и угнета ют рост некоторых полисахаридных мутантов Rhizobium etli bv. phaseoli, дефектных по синтезу ЭПС и В-антигена ЛПС [720]. Исследователи пришли к выводу, что растения контролируют развитие почвенной микробиоты путём образования зон с повышенной концентрацией разных по структуре флавоноидов и других веществ в местах их выде ления [432]. При внесении в песчанный грунт формононетина и биоханина А в количестве 0,5 мг/г уже через 3 сутки наблюдалось снижение их концентрации соответственно на 20 и 60 %. При этом возрастало общее количество бактерий, в том числе фосфатазополо жительных, грамотрицательных и актиномицетов [987].

В связи с тем, что в мировой литературе мало данных по влия нию растительных метаболитов (флавоноидов) на физиологическую активность симбиотических азотфиксаторов, в частности клубенько вых бактерий, мы провели исследования влияния упомянутых веществ на рост и физиологическую активность ряда ризобий [310].

Исследовали также влияние флавоноидов на клубеньковые бакте рии сои, которые отличаются по активности азотфиксации в усло виях симбиоза: высокоэффективный штамм B. japonicum 71т (УКМ В-6035), который формирует на корнях сои активный азотфиксирую щий аппарат, способствует повышению урожая и увеличению содер жания протеина в семенах сои, и малоэффективный штамм B.

japonicum 21110, который формирует на корнях сои клубеньки с низкой азотфиксирующей активностью и мало влияет на урожай и его качество (штамм получен из коллекции Всероссийского НИИ сельскохозяйственной микробиологии РАСХН, Санкт-Петербург, Пушкин).

Результаты исследований накопления биомассы культурами клубень ковых бактерий сои B. japonicum УКМ В-6035 и 21110 показали, что при внесении в среду флавоноида даидзеина синтез биомассы обоих иссле дованных штаммов B. japonicum возрастал (рис. 29).

рис. 29. Накопление биомассы ризобиями сои под влиянием даидзеина:

— биомасса B. japonicum УКМ В-6035;

— биомасса B. japonicum Малоэффективный штамм B. japonicum 21110 оказался более чувствительным к данному флавоноиду, чем штамм УКМ В-6035.

Показатели прироста его биомассы превышали показатели эффек тивного штамма B. japonicum УКМ В-6035 в 1,5—2,4 раза в диапа зоне концентрации даидзеина в среде 0,001 — 1 нМ. Наибольший прирост биомассы B. japonicum 21110 (на 295 % по сравнению с контролем) наблюдали при содержании даидзеина в среде на пять порядков меньше (0,01 нМ), чем в варианте со штаммом УКМ В-6035 (1000 нМ). Для эффективного штамма прирост биомассы превышал контроль почти на 200 % в присутствии даидзеина в концентрацуии 1000 нМ.

При внесении в среду культивирования изофлавоноида гени стеина — одного из основных компонентов флавоноидного пула корневых экссудатов растений сои — наблюдали его положительное влияние на накопление биомассы B. japonicum (рис. 30).

Так, биомасса B. japonicum УКМ В-6035 при концентрации гени стеина 0,01 нМ превышала показатели в контроле на 21 %. При внесении генистеина в среду в концентрации 100 и 1000 нМ пока затели накопления биомассы были выше контрольных на 7 и 8,5 % соответственно.

Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах рис. 30. Влияние генистеина на накопление биомассы штаммами B. japoni cum УКМ В-6035 ( ) и B. japonicum 21110 ( ) Малоэффективный штамм B. japonicum 21110 оказался чувстви тельнее к исследуемому флавоноиду (см. рис. 30). Наибольший прирост биомассы B. japonicum 21110 получили при содержании гени стеина в концентрации 0,01 нМ и 10000 нМ — в 2,6 и 3 раза больше, чем в контроле, а при концентрации 0,1—100 нМ происходило угне тение синтеза биомассы культурой малоэффективного штамма.

Максимальное стимулирование генистеином B. japonicum УКМ В-6035 в концентрации 0,01 нМ можно объяснить его сигнальной ролью. Согласно данным литературы [635, 1028, 1037, 1074, 1188], именно пико- и наномолярные количества флавоноидов индуцируют экспрессию генов, которые, отвечая за нодуляцию, стимулируют рост ризобий. Ризобии также используют эти растительные продукты для своих собственных потребностей. Флавоноиды разной природы и в разных концентрациях могут быть как стимуляторами, так и инги биторами роста ризобий [485]. Следует подчеркнуть, что реакция обоих штаммов на присутствие генистеина была аналогичной реакции на даидзеин.

При внесении в среду культивирования кверцетина (эуфлаво ноида), синтезируемого в основном надземными органами растений, было установлено, что реакция разных по симбиотическим свойствам штаммов ризобий была противоположной (рис. 31). Только у мало эффективного штамма B. japonicum 21110 под влиянием кверцетина происходило значительное увеличение биомассы (на 129—338 % по сравнению с контролем) при всех используемых концентрациях.

рис. 31. Влияние кверцетина на накопление биомассы ризобиями сои:

– биомасса B. japonicum УКМ В-6035;

– биомасса B. japonicum Действие кверцетина в исследуемых концентрациях было угне тающим для B. japonicum УКМ В-6035. Во всех вариантах наблюдалось уменьшение накопления биомассы штамма. Максимальный ингиби рующий эффект (почти на 70 %) был отмечен при содержании флаво ноида в среде в концентрации 0,1 нМ. При концентрации кверцети на 10—100 нМ накопление биомассы B. japonicum УКМ В- соответствовало контролю.

Внесение в среду культивирования нарингенина — флавоноида не комплементарного для ризобий сои — оказывало на них влияние, подобное генистеину. У штамма B. japonicum УКМ В-6035 при концен трации нарингенина 10 нМ в среде, накопление биомассы было максимальным и на 33 % превышало контроль (рис. 32). При осталь ных концентрациях наблюдали прирост биомассы на 12—25 % по сравнению с контролем.

Действие нарингенина в исследуемых концентрациях оказалось угнетающим по отношению к малоэффективному штамму 21110. Лишь при его внесении в концентрации 1000 нМ накопление биомассы было на уровне контроля (см. рис. 32), а в остальных вариантах — ниже контрольных значений.

Максимальный ингибирующий эффект (80 %) был отмечен при содержании флавоноида в концентрации среде 1 нМ, при которой он оказался наиболее токсичным для обоих исследуемых штаммов.

Таким образом, среди исследованных веществ лишь даидзеин — изофлавоноид из корней сои — стимулировал накопление биомассы ризобиями сои независимо от их симбиотических свойств.

Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах рис. 32. Влияние нарингенина на накопление биомассы штаммами B. japonicum УКМ В-6035 ( ) и B. japonicum 21110 ( ) Учитывая важную роль экзополимеров (ЭПМ) ризобий в процес сах формирования симбиотических взаимоотношений с растениями, представляло интерес изучение влияния флавоноидов на синтез ЭПМ клубеньковыми бактериями сои [307, 310]. Результаты изучения продуцирования ЭПМ ризобиями под влиянием даидзеина приведе ны на рис. 33.

Сухая масса экзополимеров, рис. 33. Продуцирование экзополимеров клубеньковыми бактериями сои под влиянием даидзеина:

— экзополимер B. japonicum УКМ В-6035;

— экзополимер B. japonicum Максимальное накопление ЭПМ эффективным и малоэффектив ным штаммами ризобий выявлено при содержании даидзеина в концен трации 0,1 нМ, причём их продукция штаммом УКМ В-6035 была на 240 %, а штаммом 21110 — на 52 % выше контроля. Положительное влияние даидзеина на синтез ЭПМ B. japonicum УКМ В- наблюдали в широком диапазоне концентраций этого флавоноида (от 0,001 до 1000 нМ). Увеличение биомассы B. japonicum 21110 отмече но в большинстве вариантов.

Генистеин в концентрации 0,1 и 0,01 нМ положительно влиял на продуцирование ЭПМ у B. japonicum 21110 (рис. 34). С внесением этого флавоноида в среду наблюдали значительное увеличение проду цирования ЭПМ, превышающее на 33 и 67 % контрольные показа тели. Максимальное увеличение прироста биомассы и синтеза ЭПМ наблюдается при содержании генистеина в концентрации 0,01 нМ.

Сухая масса экзополимеров, рис. 34. Влияние генистеина на синтез ЭПМ штаммом B. japonicum У B. japonicum УКМ В-6035 в присутствии генистеина продуци рование ЭПМ во всех вариантах опыта не наблюдалось. Только при внесении генистеина в максимальной концентрации (10 000 нМ) был отмечен незначительный синтез ЭПМ.

При добавлении в питательную среду кверцетина только штамм B. japonicum УКМ В-6035 отвечал увеличением продуцирования экзо полимеров на 83—509 % (рис. 35).

Этот флавоноид в большинстве исследованных концентраций угне тал синтез ЭПМ штаммом 21110;

только при концентрации 0,1 нМ продукция полимера была на 10 % выше, чем в контроле. Наиболее негативно действовал кверцетин на B. japonicum 21110 в концентрации 1000 нМ (1 мкМ), при этом продуцирование ЭПМ уменьшалось по сравнению с контролем на 60 %.

Таким образом, оптимальным для продуцирования ЭПМ клубень ковыми бактериями сои является содержание флавоноидов в концен трации 0,1 нМ, что совпадает с данными других исследователей [647, 770, 1027, 1074, 1097, 1188], которые свидетельствуют о сигнальных Азотфиксирующие микроорганизмы в микробно-растительных системах Сухая масса экзополимеров, рис. 35. Продуцирование экзополимеров клубеньковыми бактериями сои под влиянием кверцетина:

– экзополимер B. japonicum УКМ В-6035;

– экзополимер B. japonicum функциях флавоноидных метаболитов растений на уровне наномо лярных количеств.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 17 |
 




Похожие материалы:

«Отдел по церковной благотворительности и социальному служению Русской Православной Церкви Региональная общественная организация поддержки социальной деятельности Русской Православной Церкви Милосердие Е.Б. Савостьянова Как организовать помощь кризисным семьям в сельской местности Опыт Курской областной организации Центр Милосердие Лепта Книга Москва 2013 1 УДК 364.652:314.6(1-22) ББК 60.991 С13 Серия Азбука милосердия: методические и справочные пособия Редакционная коллегия: епископ ...»

«Орловская областная публичная библиотека им. И. А. Бунина БИБЛИОТЕЧНО- ИНФОРМАЦИОННОЕ ПОЛЕ АГРАРИЕВ Орел 2010 ББК 78.386 Б 59 Библиотечно-информационное поле аграриев : методико-информацион- ный сборник / Орловская обл. публ. б-ка им. И. А. Бунина ; [сост. Е. А. Су- хотина]. – Орел : Издатель Александр Воробьёв, 2010. – 108 с. В настоящее время наблюдается резкое увеличение интереса специалистов агро промышленного комплекса к проблемам использования возможностей информационно коммуникационных ...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П. Астафьева ПОЛЕВАЯ БОТАНИКА МОРФОЛОГИЯ И СИСТЕМАТИКА ЦВЕТКОВЫХ РАСТЕНИЙ. ОСНОВЫ ФИТОЦЕНОЛОГИИ Учебное пособие Электронное издание КРАСНОЯРСК 2013 ББК 28.5я73 УДК 58 П 691 Составитель: Н.Н. Тупицына, доктор биологических наук, профессор Рецензенты: А.Н. Васильев, доктор ...»

«Департамент культуры города Москвы Государственный Дарвиновский музей КАТАЛОГ КОЛЛЕКЦИИ РЕДКАЯ КНИГА БОТАНИКА Москва 2013 ББК 79л6 К 95 Государственный Дарвиновский музей Составители: заведующая сектором Редкая книга В. В. Миронова, старший научный сотрудник Э. В. Павловская, заведующая справочно-библиографическим отделом О. П. Ваньшина Фотограф П. А. Богомазов Редакторы: Н. И. Трегуб, Т. С. Кабанова Каталог коллекции Редкая книга. Ботаника / cост. В. В. Миронова, Э. В. Павловская, О. П. ...»

«С.-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ В. С. ИПАТОВ, Л. А. КИРИКОВА ФИТОЦЕНОЛОГИЯ Рекомендовано Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению и специальности Биология САНКТ-ПЕТЕРБУРГ ИЗДАТЕЛЬСТВО С.-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 19 9 7 УДК 633.2/3 И76 Рецензенты: д-р биол. наук В. И. Василевич (БИН РАН), кафедра бо таники и экологии растений Воронежского университета (зав. ...»

«Петра Ньюмейер – Натуральные антибиотики ЗАЩИТА ОРГАНИЗМА БЕЗ ПОБОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ МИР КНИГИ ББК 53.52 Н92 Petra Neumayer NATRLICHE ANTIBIOTIKA Ньюмейер, Петра Н 92 Натуральные антибиотики. Защита организма без побочных эффектов. / Пер. с нем. Ю. Ю. Зленко — М.: ООО ТД Издательство Мир книги, 2008. — 160 с. Данная книга является уникальным справочником по фитотерапии. Автор простым и доступным языком излагает историю открытия натуральных антибиотиков, приводит интересные факты, повествующие об их ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации ФГБОУ ВПО Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина Первая ступень в науке 2 часть Сборник трудов ВГМХА по результатам работы II Ежегодной научно-практической студенческой конференции Экономический факультет Вологда – Молочное 2013 ББК: 65.9 (2Рос – в Вол) П 266 Редакционная коллегия: к.э.н., доцент Медведева Н.А.; к.э.н., доцент Юренева Т.Г.; к.э.н., доцент Иванова М.И.; к.э.н., доцент Бовыкина М.Г.; ...»

«И.П. Айдаров, А.И. Корольков ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОМПЛЕКСНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ В РОССИИ МОСКВА, 2003 1 УДК В книге на основании обобщения результатов многолетних опытно-производственных и теоретических исследований и имеющегося опыта рассмотрены проблемы природопользования в сфере АПК и особенности природно-хозяйственных условий экономических районов. Дан анализ изменения основных свойств природных ландшафтов при трансформации их в агроландшафты. Выявлены причинно-следственные связи, на основании ...»

«Управление по охране окружающей среды Пермской области Пермский государственный университет Пермский государственный педагогический университет Жемчужины Прикамья (По страницам Красной книги Пермской области) Пермь 2003 УДК 574 ББК 28.088 Ж53 ЖЕМЧУЖИНЫ ПРИКАМЬЯ (По страницам Красной книги Пермской области) Издание предназначено для школьников, изучающих биологию и эко- логию в средних школах и лицеях по всем действующим программам, в ка честве регионального материала, а также в учреждениях ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова ИННОВАЦИОННОМУ РАЗВИТИЮ АПК – НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Сборник научных статей Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н. Прянишникова (Пермь 18 ноября 2010 года) Часть ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ООО БАШКИРСКАЯ ВЫСТАВОЧНАЯ КОМПАНИЯ НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ АПК Часть III НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ЖИВОТНОВОДСТВА И ПЧЕЛОВОДСТВА ВЕТЕРИНАРНАЯ НАУКА – ПРОИЗВОДСТВУ Материалы всероссийской ...»

«Министерство сельского хозяйства РФ Департамент научно-технологической политики и образования Министерство сельского хозяйства Иркутской области Иркутская государственная сельскохозяйственная академия Аграрный университет, Краков, Польша Монгольский государственный сельскохозяйственный университет Белорусская государственная сельскохозяйственная академия Казахский национальный аграрный университет ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АГРАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЕВРАЗИИ Материалы ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Е.Г. Парамонов, А.А. Маленко ОСНОВЫ ЛЕСОВОДСТВА И ЛЕСОПАРКОВОГО ХОЗЯЙСТВА Учебное пособие Барнаул Издательство АГАУ 2007 УДК 634.0.2.(635.91) Парамонов Е.Г. Основы лесоводства и лесопаркового хо зяйства: учебное пособие / Е.Г. Парамонов, А.А. Маленко. Бар наул: Изд-во АГАУ, 2007. 170 с. Учебное издание ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Е.Г. Парамонов, А.П. Симоненко ОСНОВЫ АГРОЛЕСОМЕЛИОРАЦИИ Учебное пособие Барнаул Издательство АГАУ 2007 УДК 634.0.2.(635.91) Основы агролесомелиорации: учебное пособие / Е.Г. Пара монов, А.П. Симоненко. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2007. 224 с. В учебном издании приведены основные положения, рас крывающие ...»

«издательство ВАЛЕНТИН Владивосток Издательство Валентин 2012 УДК 94(571.6) ББК 63.3 П13 Пак В. П13 Земля вольной надежды. Книга 1. Очерки дореволюци- онной истории Надеждинского района / В. Пак. – Вла- дивосток: Валентин; 2011. – 216с. ISBN 978-5-9901711-5-2 Земля Вольной Надежды раскрывает страницы истории На- деждинского района. Повествование охватывает в основном период с середины ХIХ века по 1917 год, когда шло заселение далёкой окраи ны, развивающей российскую государственность с момента ...»

«5 Turczaninowia 2002, 5(3) : 5–114 СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ ОБЗРОРЫ УДК 582.683.2(47) В.И. Дорофеев V. Dorofeyev КРЕСТОЦВЕТНЫЕ (CRUCIFERAE JUSS.) ЕВРОПЕЙСКОЙ РОССИИ CRUCIFERAE OF EUROPEAN RUSSIA Предлагаемый Вашему вниманию список сем. Cruciferae Европейской России является второй большой попыткой познакомить читателей Turczaninowia с представителями европейских крестоцветных. Первая работа, опубликованная в 3 выпуске за 1998 год, касалась крестоцветных Средней полосы европейской части Российской ...»

«ЧТЕНИЯ ПАМЯТИ АЛЕКСЕЯ ИВАНОВИЧА КУРЕНЦОВА A. I. Kurentsov's Annual Memorial Meetings _ 2011 вып. XXII УДК 595.7.001 А.И. КУРЕЦОВ: ДНЕВНИК ОБ ЭКСПЕДИЦИИ В УССУРИЙСКИЙ КРАЙ В 1928 ГОДУ Ю.А Чистяков Биолого-почвенный институт ДВО РАН, г. Владивосток Приведены дневниковые записи А.И. Куренцова за время его шестимесячной экспедиции в Уссурийский край в 1928 г. Записи содержат данные о растениях и растительности, насекомых, птицах и других животных, встреченных А.И. Куренцовым во время экскурсий, ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Н.Д. ОВЧАРЕНКО, О.Г. ГРИБАНОВА БИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Барнаул Издательство АГАУ 2012 УДК 574. (072) Рецензенты: д.б.н., профессор, зав. кафедрой экологии Алтайского государст венного университета Г.Г. Соколова; к.б.н., доцент кафедры генетики и разведения сельскохозяйствен ных ...»

«1 Основы идеологии белорусского государства Под общей редакцией профессора С.Н. Князева и профессора С.В. Решетникова МИНСК 2004 2 УДК ББК И Авторский коллектив: кандидат юридических наук, профессор Князев С.Н., доктор политических наук, профессор Решетников С.В., доктор юридических наук, профессор Василевич Г.А., доктор политических наук, профессор Земляков Л.Е., кандидат философских наук, доцент Денисюк Н.П., кандидат политических наук, доцент Антанович Н.А., доктор философских наук, ...»






 
© 2013 www.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.