62. Симбиотическая азотфиксация у бобовых растений

С древнейших времен известно благотворное влияние бобовых растений на плодородие почвы. В XIX в. русские естествоиспытатели, а также ряд зарубежных установили причину накопления азота в почве пря выращивании бобовых растений: на корнях этих растений поселяются особые накапливающие азот клубеньковые бактерий. Впервые они были описаны в 1866 г. известным русским ученым-микологом М. С. Ворониным; чистая культура была выделена в 1888 г. М. Бейеринком и названа Bacillus radicicola. Впоследствии Б. Франк отнес их к роду Rhizobium (от греческого rhizo — корень). Это название и используется в современной литературе. Видовое название дается в соответствии с латинским названием того вида растения, на котором они образуют клубеньки. Например, Rhizobium lupini — клубеньковые бактерии люпина, Rh. phaseoli — клубеньковые бактерии фасоли. Если клубеньковые бактерии образуют клубеньки на разных видах бобовых растений, то видовое название дается по названию семейства — Rh. leguminosarum. Важные свойства клубеньковых бактерий: вирулентность — способность проникать в ткань корня, размножаться, вызывать образование клубеньков; активность — способность в симбиозе с бобовыми ассимилировать молекулярный азот. Клетки таких бактерий обладают полиморфизмом, размножаются делением, с возрастом палочковидные клетки могут переходить к почкованию; по Граму окрашиваются отрицательно. Молодые культуры подвижны, при старении утрачивают это свойство, клетки утолщаются, приобретают разветвленные, грушевидные или колбовидные формы, становятся крупнее обычных, их называют бактероидами. Все клубеньковые бактерии — микроаэрофилы, хотя предпочитают аэробные условия; оптимальная температура их роста 24—26° С, развиваются обычно при близкой к нейтральной реакции среды (pH 6,5—7,5), синтезируют витамины группы В, гетероауксины и слизи полисахаридного типа. С помощью фермента фосфатазы получают Р из минеральных и органических соединений, а К и Са из минеральных. Питательным субстратом для клубеньковых бактерий в ризосферной зоне служат продукты разрушения корневых чехликов и волосков, а также ряд веществ, выделяемых корнями растений. Слизистое вещество (матрица), образующееся на поверхности корней, как бы притягивает к себе клубеньковые бактерии; здесь они концентрируются и становятся чрезвычайно подвижными. Большинство исследователей считает, что клубеньковые бактерии попадают в ткань корня через корневые волоски. Корни растений выделяют триптофан — вещество, которое под влиянием многих бактерий, в том числе клубеньковых, может переходить в р-индолуксусную кислоту (гетероауксин), под ее воздействием корневые волоски искривляются. Клубеньковые бактерии, выделяя слизи полисахаридной природы, обусловливают синтез фермента полигалактуроназы растениями; он разрушает пектиновые вещества и способствует увеличению пластичности и проницаемости оболочки корневого волоска. Там, где оболочка наиболее тонка и проницаема, клубеньковые бактерии внедряются внутрь корневого волоска, перемещаются в тканях корня растения, активно размножаются и образуют так называемую инфекционную нить (слизистый тяж). Нить передвигается к основанию волоска со скоростью 5—8 мкм/ч. Обычно в искривленном волоске образуется одна нить. Достигая тетраплоидных клеток, находящихся в коре, клубеньковые бактерии переходят в цитоплазму этих клеток, активно размножаются и вызывают их деление, а так же соседних, незараженных, клеток. Начинает формироваться ткань клубенька. Бактерии, попав в цитоплазму растительных клеток, сначала превращаются в бактероиды, форма которые у разных видов бобовых культур различна (шаровидная, вильчатая, двухветвистая, грушеобразная), размеры клеток обычно в 3-5 раз больше обычных клеток бактерий; в результате усиленного размножения клеток образуется вздутие — клубенек. Клубеньки, образованные активными культурами бактерий, имеют беловатую окраску, по мере нарастания активности приобретают розовый цвет, а при заражении неактивными бактериями — зеленоватый. Связь между бактериями и растением-хозяином обеспечивает сосудистая система клубенька, по которой транспортируются питательные вещества и продукты обмена. По мере накопления бактероидами связанного азота происходит его перенос в виде аминокислот из клубеньков в растение. Часто усвоенного растением азота выделяется через корни в почву Таким образом бобовое растение получает доступные соединения азота, а бактерии — соединения азота и продукты ассимиляции СО2, образуемые в растении. Клубеньки однолетних бобовых растений функционируют недолго, обычно до стадии цветения растений; затем начинается некроз клубенька, нарушается обмен между растением и клубеньком. В клетках появляются вакуоли, бактероиды лизируются или мигрируют в окружающую среду. У многолетних растений происходит частичная деградация бактероидной ткани к концу сезона, не полностью клубенек не отмирает и вновь начинает функционировать на следующий год. Клубеньковые бактерии относятся к симбиотическим организмам, но, попадая в почву в результате разрушения клубеньков или по каким-либо другим причинам, могут развиваться там как сапрофиты, используя в качестве питания органические вещества, и даже фиксируют атмосферный азот. В настоящее время известно 13 000 видов бобовых растений, из них только у 1300 видов обнаружены на корнях клубеньки. Бобовые растения, имеющие на корнях клубеньки, могут также усваивать из почвы нитраты, аммонийные соли и другие соединения. В природе существует только одно растение — копеечник (Hedysarum coronarium), которое может усваивать только молекулярный азот с помощью клубеньковых бактерий. Выявлено около 200 видов небобовых растений, связывающих азот в симбиозе с микроорганизмами в клубеньках, образованных на их корнях или листьях. Чаще всего клубеньки встречаются у голосеменных растений — хвойных и саговниковых. Обнаружены они также и у представителей семейства крестоцветных — капусты и редьки, среди злаковых — мятлика лугового, волоснеца сибирского, лисохвоста лугового. Наибольшие прибавки азота у небобовых растений обнаружены под ольхой. Некоторые виды тропических растений из семейств Dioscoriacea, Rubiacea и другие образуют клубеньки-бородавки на нижней стороне листьев, в которых развиваются бактерий, фиксирующие азот. В клубеньках небобовых растений могут развиваться не только бактерии, но и актиномицеты, как, например, у ольхи; грибы, живущие в корнях некоторых вересковых растений, также способны усваивать молекулярный азот. Некоторые исследователи предполагают существование множественного симбиоза (азотобактер, клубеньковые бактерии, водоросли). В почву за счет симбиотической азотфиксации поступает от 90 до 180 кг на 1 га/год (Мишустин, 1979). Подсчитано, что суммарно сельское хозяйство земного шара получает от бобовых растений примерно 35 млн. т азота. К сожалению, до сих пор нет данных о прибавках азота за счет бобовых дикой флоры и растений, не принадлежащих к семейству бобовых.