Симбіотична фіксація молекулярного азоту

Незважаючи на складність структури, нітрогеназа (рис. 9) має низьку субстратну специфічність: вона здатна відновлювати широкий спектр сполук з потрійним зв'язком, у тому числі перетворювати ацетилен в етилен. Сумарна реакція, що каталізується нітрогеназой, виражається рівнянням:

N2 + 8H+ + 8e- + 16ATФ = 2NH3 + H3 + 16АДФ +16Фн 

Рис. 9 Структура й функції нітрогенази

Велика кількість молекул АТФ, необхідних для реакції, показує її високу енергоємність. Підраховано, що для фіксації 1 г азоту необхідно витратити 100-200 г глюкози, тому азотфіксація відбуватиметься при дефіциті доступних форм азоту й достатніх джерелах енергії.

Найбільш ефективним джерелом енергії для мікроорганізмів є окисне фосфорилювання і фотосинтез. Однак нітрогеназа дуже чутлива до вільного кисню і необоротно інактивується навіть при невеликих концентраціях кисню, що ускладнює створення пари аеробних енергетичних процесів і фіксації азоту. Тому у мікроорганізмів - азотфіксаторів з'явилися різні механізми, що дозволяють вирішувати цю проблему. У вільноживучих це досягається або тим, що гени, що кодують нітрогеназу, активізуються тільки в анаеробних умовах або мікроаерофільних умовах, або тим, що азотфіксуючі клітини утворюють щільну оболонку, яка дуже повільно пропускає кисень. У симбіотичних системах функцію захисту нітрогенази від кисню виконує господар.

1. 3. Структурна основа симбіозу

Бульбочки бобових рослин виконують комплекс взаємопов'язаних функцій, забезпечуючи екологічну нішу для ендосимбіонтов, а також здійснюючи контроль чисельності та активності бактерій. Розвиток бульбочок базується на сигнальних процесах, що викликають диференціальну експресію генів. У разі симбіозу ці процеси пов'язані з екзогенними сигналами, які надходять від іншого організму. Крім того, формування бульбочок для рослин є факультативним, при цьому основна генетична інформація, необхідна для морфогенезу клубеньков, знаходиться в геномі ризобій.

Серед найбільш вивчених бульбочок «недетерменірованного стеблового» типу - представники бобових - горох, конюшина, люцерна. На рис. 10 показано розвиток азотфіксуючої бульбочки гороху.

Рис. 10 розвиток азот фіксуючої бульбочки гороху.

Інфікування цих бобових відбувається через кореневі волоски, які при цьому скручуються. У місці найбільш різкого згину волоска відбувається гідроліз клітинної стінки і глибока інвагінація плазмалемми, в якій беруть участь мембранні структури рослинної клітини, відбувається неактивне впровадження бактерій в кореневі волоски, а скоріше захоплення ними бактерії. У результаті цих подій навколо бактеріальних клітин утворюється особливий простір, стінки якого подібні зі стінками рослинних клітин, а внутрішній простір заповнюється речовиною, в утворенні якого беруть участь обидва партнера.

Паралельно з описаним вище процесом відбувається закладка бульбочкових меристеми, пов'язана з мітотичною реактивацією, диференціацією і проліферацією клітин кортексу. Інфекційна нитка через 2-3 доби після інокуляції досягає основи кореневого волоска, проникає в кортекс, а потім і в зростаючу бульбочку, де розростається і галузиться.

Ключовою стадією розвитку ендосимбіозу є перехід бактерій з інфекційної нитки в рослинні клітини, що відбувається шляхом ендоцитозу. У місці впячивания інфекційної нитки в рослинну тканину утворюються тимчасові структури - інфекційні краплі, від яких відшнуровиваются мембранні пухирці, що містять бактерії. Таким чином, бактерії ніколи не розташовуються вільно в рослинній цитоплазмі - вони укладені в «перібактероідние » мембрани, які утворюються за участю тілець апарату Гольджі і ЕПР, проте містять і бактеріальні білки. Бактеріальна клітина або група клітин, оточені такою мембраною виділяються як основна субклітинному одиниця симбіозу - сімбіосома.

Паралельно з формуванням сімбіосом відбувається і диференціювання інфікованих рослинних клітин. Вона виражається в зростанні кількості внутрішньоклітинних мембранних структур, які беруть участь у формуванні перібактероідних мембран і в біосинтетичних процесах. Цей процес завершується формуванням складно влаштованої бульби «недетерменірованного» типу. Гістологічна структура бульби недетерменірованного типу в його розвитку показана на рис 11.

Рис. 11 - Гістологічна структура бульби недетерменірованного типу

Його основними структурами є: - інфікована бактеріями тканина, в якій відбувається фіксація молекулярного азоту ; - провідні пучки, по яких надходять рослинні продукти фотосинтезу і виносяться продукти азотфиксации; - апикальная меристема, за рахунок якої відбувається зростання бульби. Вона забезпечує постійне оновлення азотфиксирующей тканини

РОЗДІЛ 3

Застосування азотфіксаторів на практиці

Відкриття азотфіксаторів призвело до створення так званих мікробних добрив. Вже в 1895 році Наббе і Хілтнером запатентований препарат мікробної культури Nitragin. Він випускався в 17 варіантах для різних рослин. Препарат представляв собою культури азотфіксуючих мікроорганізмів, змішаних з грунтом, торфом, піском, гноєм та іншими субстратами. Внесення нітрагіну в грунт або обробка насіння називалися інокуляцією і дозволяли підвищити якість і кількість продукції. У першій половині XX століття спостерігалося зростання науково-дослідних робіт зі створення перспективних мікробних препаратів для бобових і небобових культур.

Після другої світової війни почався період хімізації сільськогосподарського виробництва та роботи з дослідження мікробіологічних препаратів стали згортатися. Можливості великої хімії, дешевизна азотних добрив, простота їх використання відсували на другий план мікробні препарати. Однак з'ясувалося, що інтенсивне використання синтетичних азотних добрив крім позитивного ефекту (зростання врожайності) несуть в собі велику небезпеку. Відбувається забруднення азотовмісними речовинами грунту, грунтових вод, річок і озер. Мінеральні добрива вимиваються з грунту, вилуговуються і стають шкідливими сполуками для людини - нітритами, нітрозамінами і т.д., тому останнім часом віддається перевага мікробним препаратам.

Зараз спектр застосовуваних мікропрепаратів під бобові, злакові та інші культури досить широкий. Штами ризобій, використовувані для інокуляції сільськогосподарських бобових культур, зазвичай виділяються з бульбочок цих же видів, проте як джерело таких штамів можуть бути використані і деякі дикорослі види бобових.

Наприкінці XX століття в багатьох країнах нітрогенізаціі піддається 
70-80% бобових культур. У районах традиційного обробітку бобових культур прибавка врожаю від застосування нітрагіну залишає 2-4 ц/га зерна сої, 1-2 ц/га зерна гороху та люпину, 80-100 ц/га зеленої маси бобових культур, 6-12 ц/га сіна конюшини та люцерни. На ґрунтах, які раніше не оброблялися і де ростуть бобові культури і в яких немає специфічних для них бульбочкових бактерій, додатковий збір сільськогосподарської продукції за рахунок застосування препаратів бульбочкових бактерій досягає 50-100 % і більше.

Ефективність засвоєння азоту повітря бобовими культурами залежить від активності бульбочкових бактерій, що поселяються на коренях рослин. Бульбочки краще розвиваються на структурних грунтах з доброю аерацією, при температурі повітря 24-28°С, ґрунту 24-25°С, відносній вологості повітря 40-60%.

Головним фактором, який обмежує активність симбіозу і біологічної фіксації азоту в лісостепу є підвищена кислотність ґрунту. Так, оптимальним рівнем рН, який забезпечує високу ефективність симбіозу лядвенцю рогатого з бульбочковими бактеріями є 4,0-7,0, конюшини повзучої – 5,0-7,5, конюшини лучної – 5,5-7,5, люцерни посівної – 6,5-7,5 [1]. Тому розміщення посівів багаторічних бобових трав з врахуванням оптимального рівня рН для кожної з них та проведення хімічної меліорації ґрунтів є важливим елементом успішного вирощування багаторічних бобових трав та їх сумішок і сприяє покращенню процесу азотфіксації бульбочковими бактеріями.

Обов’язковою умовою формування фіксуючої атмосферний азот бобово-ризобіальної системи є наявність в грунті специфічних для кожного виду бобових культур бульбочкових бактерій. Проте, їх чисельність може бути невеликою або мати низьку активність. У зв’язку з цим одним із основним прийомів, які здатні суттєво підвищити азот фіксуючу здатність симбіозів з бобовими травами є інокуляція насіння препаратами виготовленими на основі активних, вірулентних, конкурентноздатних штамів бульбочкових бактерій [3].

Проведення передпосівної обробки насіння багаторічних бобових трав бактеріальними інокулянтами дає змогу поліпшити умови азотного живлення бобових завдяки фіксації атмосферного азоту, підвищити урожайність та якість вирощеної продукції.

Незважаючи на здатність бобових трав засвоювати атмосферний азот з повітря, забезпечуючи себе та інші компоненти агрофітоценозу цим елементом живлення, система їх удобрення відіграє важливу роль підвищенні продуктивності багаторічних травостоїв. Так, фосфорно-калійне добриво сприяє підвищенню дольової участі бобових компонентів агрофітоценозу та посиленню процесу азотфіксації. Мінеральне азотне живлення спричиняє зменшення частки бобових в травостої та зумовлює зниження рівня процесу азотфіксації [1]. У зв’язку з цим одним із шляхів покращення азотфіксації бобовими травами є оптимізація фосфорно-калійного живлення та мінімізація застосування мінеральних азотних добрив.

В цілому ж, досягнення високого рівня біологічного засвоєння атмосферного азоту багаторічними бобовими травами можливе лише при комплексному застосуванні всіх технологічних прийомів, спрямованих на вирішення цієї проблеми.

Висновок

Симбіотична фіксація молекулярного азоту є надзвичайно важливим процесом. Глибоке й детальне вивчення цього явища дало змогу використовувати