Симбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми растениями
Rhizobium и бобовые растения.
В середине 17 в было показано, что бобовые растения могут расти на почве, не содержащей связанного азота.
1888 Маркен Бейеринг поставил опыт: семена бобовых подвергались поверхностной стерилизации, высевались в стерильную почву – растения зависели от азота, клубеньки не образовывались.
Если полить растения экстрактами клубеньков, то клубеньки образовывались.
Бейеринг выделил чистую культуру из клубеньков.
Это (Гр-)палочки, слабо подвижны, обитают в почве как гетеротрофы, нуждаются в связанном азоте, микроаэрофилы. Нуждаются в некоторых витаминах (тиамин, пантотеновая кислота, биотин)
Виды Rhizobium можно отличить по растениям, с которыми они вступают в симбиоз.
Растение продуцирует аттрактанты(флавоноиды и изофлавоноиды, они индуцируют экспрессию бактериальных nod-генов, которые синтезируют белки-нодулины, обеспечивающие межвидовое взаимодействие), которые обеспечивают движение клеток ризобиума к корневым волоскам.
На клет. стенке растений формируется вещество типа лектинов (гликопротеины), оно прикрепляет капсулу к клеточной стенке. Лектины находятся на внешней стороне клет. стенки, они взаимодействуют с видоспецифичными углеводами на клет. стенке бактерий. Дальше происходит инфицирование корневого волоска:
Бакт. разруш. клеточную оболочку, проникают в корневой волосок. Корневые волоски изгибаются. Формируют инфекционные нити(трубка, выстланная целлюлозой клеток хозяина, в ней интенсивно размножаются бактерии. нить проходит в кору корня, проходя через клетки. когда нить достигает тетраплоидной ткани коры, начинается развитие клубенька – бакт. продуц. ИУК.). Превращаются в бактероиды, клетки неправильной формы (ветвистые). Осуществляют фиксацию азота..
см рисунок с 100.
Фермент нитрогеназа обеспечивает азотфиксацию.
Азотфиксация:
-разрушений тройной связи
-восстановление азота
-формирование аммика
Фермент чувствителен к кислороду, поэтому свободноживущие азотфиксаторы либо строгие анаэробы(защиты от кислорода не имеют), хотя есть строгие аэробы (есть механизмы защиты)
Строгие аэробы (Azotobacter) имеют приспособление: интенсивное поглощение кислорода для дыхания и восстановление до воды.. Нитрогеназа оказывается защищенной.
Не все клубеньки активны. На поперечном разрезе розовый цвет – активный. Белый – неактивный.
В розовом клубеньке образуется лег-гемоглобин (напоминает животный гемоглобин). Фиксирует кислород, защищая нитрогеназу. Лег-гемоглобин формируется и в растениях (частично, белковый компонент), и в бактериях (простетическая группа)
nif-оперон кодирует нитрогеназу. он находится в Sym-плазмидах, где также находятся hos- (узнавание хозяина) и nod-гены.
Процесс азотфиксации очень энергоемкий. 1 молекула N2 = 24 АТФ. У злаковых слабый фотосинтез, поэтому сложно сделать азотфиксирующую пшеницу.
(1+2)
Механизм симбиотической фиксации азота
см. предыдущие вопросы
Нитрогеназа состоит из 2 компонентов: белок 1 и белок 2
Белок 1 – примерно 200 кДа, состит из 4 субъединиц, каждая из 1 цеи а\к, 24 атома Fe и 2 Mo – центр
Белок 2 – 2 с\е, 4 Fe (всего)
см.рисунок в конспекте с 102( регуляция)
Белок 2 служит окислительно-восстановительной системой, принимает электроны от ферредоксина (система транспорта электронов) и передает их на второй компонент, Белок 1. Он переносит электроны на N2, в результате чего через ряд промежуточных стадий образуется аммиак. Аммиак присоединяется к глутаминовой кислоте с помощью глутамат-синтетазы и включается в дургие аминокислоты. Глутамат-синтетаза участвует в регуляции экспрессии генов nif-оперона. nifB – молибденовый центр, nifF и nifH – белок 2 nifD – часть белка 2.
Побочная реакция – часть восстановительных эквивалентов переносится на Н+, поэтому всегда образуется большое количество молекулярного водорода.
Нитрогеназа очень чувствительна к молекулярному кислороду, инактивируется им.
