Живут в симбиозе с бобовыми бактерии. Клубеньковые бактерии - значение в природе

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.

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.

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

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

История

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

Таксономия

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

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

Важность для сельского хозяйства

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

Симбиоз

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

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