Симбиотические взаимоотношения микроорганизмов и растений

 На третьем этапе в местах  тесного контакта мицелия с  клетками гифы проникают в  растительные клетки, где образуются арбускулы – разветвленные впячивания сложной формы, содержащие гифу гриба, окруженную растительной плазмалеммой и клеточной стенкой.

Арбускулы (Рис. 6 Арбускала на корнях под электронным микроскопом) являются местами наиболее интенсивного обмена партнеров метаболитами, в частности передачи в растение фосфатов, поглощаемых грибом из почвы. Арбускулы существуют в течение нескольких дней, после лизируются хозяином, а взамен гифы в кортексе корня образуют новые арбускулы.

Рис. 6 Арбускала на корнях под электронным микроскопом

 

Весь процесс образования ВАМ у растений контролируется комплексом симбиотических генов (например, SYM-8, SYM-19 и SYM-30 гены гороха), аналогичных nod-генам. У бобовых процесс образования и бобово-ризобильного симбиоза, и ВАМ контролируется одними и теми же генами (например, SYM гены гороха).

Мицелии Glomus fasciculatum в ВАМ переводят нерастворимые формы фосфатов в растворимые, обеспечивая растение фосфатами. Таким образом, грибы-зигомицеты из порядка Glomales могут быть использованы в сельском хозяйстве для обеспечения растений фосфатами.3

Образование симбиоза с эндомикоризными грибами порядка Glomales ( арбускулярная микориза) у большинства сельскохозяйственных культур – важный фактор улучшения минерального, в особенности фосфорного, питания растений и повышения их продуктивности. Однако в результате селекции на фоне применения высоких доз минерального удобрения симбиотрофность растений снижается. Это препятствует развитию ресурсосберегающих и экологически безопасных подходов в растениеводстве, основанных на биологических  принципах  и использовании растительно -  микробных симбиозов.4

 

Для более наглядного примера применения везикулярно-арбускулярной микоризы можно рассмотреть «ПОЛИМОРФИЗМ ПОПУЛЯЦИИ ПАВЛОВСКАЯ ЛЮЦЕРНЫ ХМЕЛЕВИДНОЙ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ПРОДУКТИВНОСТИ, МИКОРИЗАЦИИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СИМБИОЗА С Glomus intraradices».5[5]

Методика.

Объектом исследования служила озимая дикорастущая популяция Павловская люцерны хмелевидной (Medicago lupulina L., сем.Fabaceae) из Ленинградской области (45 линий; семена получены из коллекции Всероссийского НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова, масса 1000 семян — 1,93 г). Для микоризации использовали штамм CIAM8 Glomus intraradices Shenck & Smith, выделенный из дерново-подзолистой почвы в Ленинградской области (коллекция Всероссийского НИИ сельскохозяйственной микробиологии).  
Результаты. Люцерна хмелевидная Medicago lupulina L. — широко распространенный в России вид бобовых. Она представлена мезофитными и ксерофитными экотипами, яровыми и озимыми формами, одно- и малолетниками. Это самоопылитель, диплоид (2n = 16), обладает высокой семенной продуктивностью (500-800 семян с 1 растения) и хорошими кормовыми качествами. Использованный нами штамм CIAM8 АМ-гриба Glomus intraradices как микросимбионт высокоэффективен со многими сельскохозяйственными растениями .

	Рис. 1. Схематические изображения морфотипов озимой люцерны хмелевидной(вверху), выделенных на основе фенотипа побегов в фазу плодоношения: а — основной фенотип A, или «раннее цветение», скороспелый, на 2/3 стебля имеются мелкие сидячие листья с коротким черешком; б — основной фенотип B, или «позднее цветение», стебли хорошо облиственные, листья с черешком располагаются примерно до 2/3 высоты стебля, затем идут сидячие листья, выражено боковое ветвление; в — сопутствующий фенотип K, или «вторичное кущение» (первичное характерно для всех растений, поэтому в отдельный фенотип его не выделяли), имеет стебли высотой 20-40 см, сопутствующие фенотипу A либо B, листья с черешком, стебли без пазушного ветвления; г — сопутствующий фенотип С, или «третичное кущение», со стеблями высотой до 15 см, сопутствующими фенотипу A либо B, не несет соцветий. Масштаб (линии слева) — 10 см. Морфотипический анализ популяции показал наличие 6 классов (рис. 1) при наибольшем распространении классов АС (11 линий) и АКС (24 линии) — соот-

ветственно 24 и 54 % от общего числа растений (табл. 1). Между изученными морфотипами не было выявлено достоверных различий по абсолютным значениям средних показателей как продуктивности и эффективности АМ, так и микоризации. Варьирование этих показателей также было одинаковым. Однако полиморфизм показателей симбиотической эффективности, рассчитанной по величине сухой массы и содержанию N, у растений с морфотипом АКС был намного выше, чем у имеющих морфотип АС (табл. 2). 
У 45 изученных линий люцерны эффективность инокуляции АМ-грибом, рассчитанная по показателям продуктивности, варьировала в широких пределах: по сухой надземной массе, а также массе корней — на 2 порядка, по содержанию в надземной массе P и N — на порядок. О значительной генетической гетерогенности популяции Павловская свидетельствует также достоверная левосторонняя асимметрия (As > 0) по симбиотической эффективности, рассчитанной по биомассе корней и надземных частей, а также правосторонняя асимметрия — по прибавке содержания N (As < 0, см. табл. 1). Варьирование показателей микоризации, а также абсолютных значений биомассы было значительно ниже, чем показателей эффективности. Почти для всех линий прибавки по содержанию Р.

Таким образом, нами впервые описан полиморфизм люцерны хмелевидной по эффективности симбиоза с эндомикоризным грибом. Показано, что арбускулярная микориза (АМ) оптимизирует фосфатное питание растений, но содержание N в растениях с АМ значительно ниже, чем в растениях без АМ. Эти данные свидетельствуют о необходимости подбора специальных условий для применения тройной симбиотической системы АМ-гриб + растение-хозяин + ризобии, которая обеспечит одновременное улучшение N- и P-питания. Высокоэффективные линии Pav05, Pav18 и Pav34 могут быть рекомендованы для селекции сортов с повышенной активностью симбиотрофного питания. 6

 

 

 

 

 

 

 

4.Другие формы взаимовыгодных  микробно-растительных взаимодействий

 

 

Азотфиксирующие цианобактерии образуют симбиозы с очень широким спектром растений, включающим покрытосемянные, голосемянные, папоротники, мхи и даже одноклеточные морские диатомовые водоросли. Наиболее изученными являются эндосимбиозы гетероцистных цианобактерий Anabaena (Nostoc) с водным папоротником Azolla, а также Nostoc с цветковым Gunnera и печеночником Anthoceros.

Симбиоз Nostoc-Gunnera является внутриклеточным, остальные симбиозы — внеклеточными (у Azolla цианобактерия располагается в полости листа, у Anthoceros — в полостях, расположенных на дорзальной стороне таллома).

Микроорганизмы в отсутствие связанного азота могут расти диа-зотрофно как на свету (на минимальной среде, т. е. при автотрофном С-питании), так и в темноте (на среде с источниками углерода, т. е.при гетеротрофном С-питании). Это открывает широкие возможности для генетического анализа процессов, связанных с азотфиксацией у симбиотических цианобактерий. Для растений зависимость от симбиоза с цианобактериями выражена в разной степени: для Azolla он является облигатным, а для Gunnera и Anthoceros — факультативным.

Некоторые симбиозы, образуемые азотфиксирующими цианобактериями, имеют экологическое и сельскохозяйственное значение. Так, система «Azolla-АпаЬаепа» является весьма эффективным источником азота при выращивании риса. Симбиоз «Nosioc-Gunnera» может рассматриваться как модель, разработка которой позволит придать способность к азотфиксирующим симбиозам широкому кругу небобовых растений.

Клеточная дифференцировка. При переносе АпаЬаепа в безазотную среду приблизительно 10 % клеток, распределенных случайно по длине нити, претерпевает дифференцировку в гетероцисты. Эти клетки увеличиваются в размерах и окружаются плотной оболочкой, которая блокирует доступ в цитоплазму свободного кислорода. Фотосинтез в гетероцистах отсутствует, из-за чего в них создаются микро-аэрофильные условия, необходимые для азотфиксации. Это позволяет цианобактериям фиксировать азот в аэробных условиях.

 

5.Азотфиксирующие  симбиотические биосистемы

Симбиозы растений с азотфиксаторами являются одной из наиболее широко распространенных и изученных форм растительно-микробного взаимодействия. Образуемые симбиозы являются в своей основе взаимовыгодными (мутуалистическими), однако при определенных условиях (высокое содержание в среде связанного азота, недостаточное питание, генетические изменения) взаимодействие может переходить в паразитизм. Более того, механизмы взаимодействия бобовых с ризобиями имеют ряд общих стадий со взаимодействием между растениями и фитопатогенами. Таким образом, изучение азотфиксирующих симбиозов подтверждает правильность концепции симбиоза, предложенной более 120 лет назад Антоном Де Бари. Этот ученый предложил считать главным отличительным признаком симбиоза не его «полезность» или «вредность», а длительность взаимодействия партнеров. Такой подход позволяет рассматривать симбиотические системы как стабильные надорганизменные комплексы, входя в которые организмы приобретают новые экологические и метаболические возможности, которых они были лишены в свободноживущем состоянии.

При рассмотрении данных о генетическом контроле двух разных типов азотфиксирующих систем — бобово-ризобиального симбиоза и симбиоза растений с цианобактериями — можно видеть ряд общих черт, характеризующих эти взаимодействия (табл. 1). Во-первых, обе группы симбиозов базируются на сигнальных взаимодействиях партнеров, причем сигналы воздействуют непосредственно на экспрессию генов. В результате наблюдается координированная регуляция и дифференциальная экспрессия генов партнеров, которая приводит к морфогенезу симбиотических структур и к тесной метаболической интеграции растений и бактерий. Во-вторых, в обеих системах основные эффекты взаимодействия — азотфиксация и развитие структур симбиоза — контролируются разными генными системами и могут быть разобщены с помощью генетических методов.7

 

 

 

Параметры	Бобово-ризобиальный симбиоз	Симбиозы «цианобактерии—растения»
Действия ранних растительных сигналов на микроорганизмы	Активация nod-reuob (под действием растительных флавоноидов)	Формирование подвижных гормогоний
Цитодифференцировка микросимбионтов	Только в растении (бактероиды)	В растении и в чистой культуре (гетероцисты)
Защита нитрогеназы от кислорода	Бактериями (белки NifA и FixU) и растениями (ле-гоглобин, диффузионный барьер в тканях клубенька)	Только бактериями (гетероцисты)
Изменение организации «//-генов при переходе микроба к азотфиксации	Не выявлено	Выявлено

 

Окончание табл. 1

Параметры	Бобово-ризобиальный симбиоз	Симбиозы «цианобактерии-растения»
Индукция микросимбионтом морфогенетических процессов у растений	Митотическая реактивация кортикальных клеток или индукция развития зачатка бобового корня в клубенек	Рост симбиотической железы
Способность микросимбионта к диазотрофии и фототрофии	Обычно отсутствует	Имеется
Обязательность симбиоза для партнеров	Факультативный для обоих партнеров	Для микробов факультативный, для хозяев или облигатный (.Azolla), или факультативный (Gunnera)
Специфичность взаимодействия	Ограничена сем. бобовых	Для Nostoc включает разные типы наземных растений

Таблица 1. Сравнение двух типов азотфикснрующего растительно-микробного симбиоза

 

В то же время очевиден и ряд различий между рассмотренными системами.

Первое различие связано с тем, что большинство цианобактерий фиксируют азот в чистой культуре, сочетая это с фототрофностью, тогда как большинство ризобий в чистой культуре азот не фиксируют и фототрофами не являются. В связи с этим у цианобактерий имеется специальный механизм образования азотфиксирующих клеточных форм — гетероцист, в которых отсутствует фотосинтез, а защита нитрогеназы от кислорода обеспечивается прочной клеточной стенкой. У цианобактерий имеется сложная система генов дифференцировки гетероцист, которая, по-видимому, сформировалась как адаптация к диазотрофному росту, однако используется и в симбиотической системе. У ризобий цитодифференцировка в норме осуществляется только in planta и не связана с защитой нитрогеназы от кислорода.89

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Практическая часть

 

2.1.Объект исследования

2.1.1. Характеристика взятого образца почвы.

В данной курсовой работе использовалась светло-каштановая почва. Светло-каштановые почвы распространены на территории право- и левобережья Волго-Ахтубинской долины только в северной части, включая территории Черноярского и Ахтубинского районов. Они занимают наиболее дренированные и повышенные пространства и не сплошные массивы, а располагаются пятнами, прерывистыми полосами. Это связано с тем, что на данной территории широко представлены степные западины, в которых встречаются засоленные почвы, солонцы, солоди, у которых под маломощным, слабогуму-С1фованным горизонтом лежит плотный глинистый призмовидный или глыбистый солонцовый горизонт, а сухом состоянии плотный, во влажном - мажущийся, вязкий, разбухающий и становящийся водонепроницаемым. Такое расположение создает сложное сочетание почвенного покрова и его мозаичность - почвенную комплексность, весьма характерную для светло-каштановых почв.

Мощность гумусовых горизонтов светло-каштановых почв всего 30 - 40 см, количество гумуса невелико - 1 - 3%, причем гумус распределен по профилю неравномерно. Затем идет солонцеватый горизонт, уплотненный. Нижняя часть почвенного профиля засолена растворимыми солями (солончаковатая), а с глубины около 1(8 м обычно наблюдается гипс. Чаще всего земли со светло-каштановыми почвами используют под пастбища. Эти почвы также потенциально плодородны. В условиях ведения орошаемого хозяйства на землях, занятых светло-каштановыми почвами, образуется мощная растрескивающаяся корка.