Відмирання і розклад бульбочок

У фазу бутонізації азотфіксуюча активність кореневих бульбочок починає стрімко зростати. Найбільшу активність симбіозу виявляють у фазі цвітіння. У фазі утворення бобів активність бульбочок зменшується, а при дозріванні врожаю бульбочка вже майже не функціонує. У однорічних рослин у фазі повної стиглості бульбочки відмирають. У складі відмерлих кореневих решток вони розкладаються у грунті, а ризобії після деструкції бульбочок продовжують сапротрофне існування. У багаторічних культур симбіоз існує одночасно з вегетуючою рослиною.У грунті часто присутні неефективні бульбочкові бактерії, інфікування якими веде до низького рівня азотфіксації. Для забезпечення ефективного симбіозу доцільно насіння рослин заражати високоактивними специфічними культурами ризобій, які є основою бактеріальних добрив.

Екологічні та агротехнічні фактори, які впливають на ефективність бобово-ризобіального симбіозу

Ефективність бобово-ризобіального симбіозу визначається не тільки видовими або штамовими особливостями бульбочкових бактерій і чутливістю рослин до інокуляції. Відомо, що умови середовища і агротехніка вирощування бобових культур відіграє важливу, а нерідко вирішальну роль в реалізації потенційних можливостей ризобій і формуванні їх симбіотичних взаємовідносин з рослинами.

На ефективність бобово-ризобіального симбіозу впливають такі фактори:

• Температура. Утворення бульбочок в природних умовах можна спостерігати при температурі трохи вище за 0^◦С, но азотфіксація при цьому практично не відбувається. Оптимальна температура для азотфіксації та формування високого вражая бобових – 20-24 ^◦С, при 30^◦С молекулярний азот зв’язується у незначній кількостях.

• Мінімальна вологість грунту, при якій відбувається утворення бульбочок 15-20 % від полної влагоємності, оптимальною є вологість 60-70 %;

• Недолік аерації призводить до формування дрібних бульбочок і зниження азотфіксації;

• РН : низькі до 4-5 та високі 9-10 пригнічують утворення бульбочок, оптимальним є нейтральне значення;

• Негативно впливають на розвиток симбіотичної системи засоленість грунту, використання хімічних засобів захисту рослин від сорняків і шкідників;

• Внесення мінеральних форм азоту навідь у «стартовій» дозі (30-40 кг/га) затримує утворення бульбочок і знижує нітрогеназну активність. Особливо пригнічує азотфіксацію нітрати, що пояснюється утворенням комплекса N₂- леггемоглабін і зниженням процесів дихання бульбачкових бактерій. У меньшому ступені це стосується NH₃. Застосування фосфорних і калійних добрив позитивно впливає на активність симбіотичного апарату.

Асоціативні та вільноживучі діазотрофи

Термін «асоціативні діазотрофи» об’єднує мікроорганізми, взаємодія яких з рослинами не призводить до формування спеціалізованих структур (типа бульбочок), проте характеризується синтезом специфічних утворень (пілей, фимбрій, адгезинів), які сприяють прикріпленню бактерій до кореней рослин, а також проникненню їх в міжклітинний простір і клітини кортекса кореня. Фімбрії і пілі – ниткоподібні клітинні придатки діаметром 3-10 нм. Вони побудовані із білкових субодиниць, що формують спіралєвидну трубчасту органелу. Наявність таких фібрилярних придатків забеспечує прикріплення мікроорганізмів до поверхні, що несе тот же заряд, що і клітинна стінка. Прикріплення клітин, необхідне для утворення плівок, здійснюється за допомогою адгезинів (полісахаридів та поверхневих білків).

Явище асоціативності детерміновано генетичним апаратом партнерів. Такими генетичними детермінантами у бактерій можуть бути гени азотного обміну, синтезу фітогормонів і других біологічно-активних речовин, гени рухловості і хемотаксиса, структурні елементи клітинної стінки і пр.

При утворенні симбіотичних і асоціативних спільнот важливу роль відіграють лектини ґрунтових бактерій і рослин. Впізнавання між лектинами і вуглеводами забезпечує специфічність мікробно-рослинних взаємодій. Лектини асоціативних азотфіксаторів беруть участь в їх прикріпленні до рослин, встановлена їх здатність впливати на різні ферментативні процеси в тканинах рослин і метаболізм ризосферних мікроорганізмів.

Формування асоціації включає декілька стадій:

• хемотаксис до коренів;

• прикріплення до них;

• проникнення бактерій внутрь кореня і колонізація міжклітинного простору між епідермісом і кортексом, іноді проникнення всередину кортексу, ксилему і серцевину, переміщення від кореня до стебл і листя.

У дослідах зі злаковими встановлено, що основним джерелом діазотрофів, крім грунту, може бути мікрофлора насіння. Є дані, що в насіння діазотрофи проникають через внутрішні тканини стебла, яке вони колонізують.

До асоціативних азотфіксаторів відносяться представники грамнегативних бактерій родів Azospirillum, Agrobacterium, Beijerinckia, Enterobacter, Xanthomonas, Klebsiella, Flavobacterium та інші. Найкраще досліджено Azospirillum, який виявлено в асоціації з різними злаковими і кормовими травами. Агробактерії можуть існувати як фітопатогени, так і як асоціативні партнери рослин. Агробактерії відносятся до асоціативних мікроорганізмам за такими ознаками: активність азотфіксації, синтез фітогормонів, адсорбція на коренях і колонізація кореневої системи. Проте механізми формування асоціації агробактерій з рослинами вивчено недостатньо.

Крім асоціативних діазотрофів відомі також вільноживучі діазотрофи, які здатні до азотфіксації поза рослиною: грамнегативні аероби - Azotobacter, Azomonas, Beijerinckia; грамнегативні факультативно-анаеробні ентеробактерії – Enterobacter aerogenes, Klebsiella pneumonia, Citrobacter intermedius, Xantobacter flavus; грампозитивні спороутворюючі бактерії (Bacillus macerans, Paenibacillus polymyxa), анаеробні (Сlostridium pasterianum, C. butiricum, C. acetobutiricum), а також одноклітинні та багатоклітинні фототрофні ціанобактерії. Що стосується псевдомонад, то довгий час вважали, що ці мікроорганізми не здатні засвоювати азот атмосферний азот. Нещодавно з’явилися повідомлення, що псевдомонади, у тому числі флуоресціюючі фіксують азот. Такі бактерії, наприклад, виділені з ризосфери озимого жита.

Відомо, що в найбільших масштабах азот фіксується в ході асоціативної азотфіксації. За оцінками Є.М. Мішустина за допомоги асоціативних азотфіксаторів утворюється 50-80 кг N₂ в рік. Збільшення вмісту азоту в рослинах може бути обумовлено комплексним впливом на них азотфіксаторів, оскільки вони також виділяють у навколишнє середовище вітаміни, ферменти, амінокислоти, фітогормони (наприклад, індолілуксусна кислота - ІУК). Однією із умов гормональної дії ризосферної мікрофлори на рослини є наявність в ризосфері достатньої кількості триптофана, який виділяється коренями рослини. На його основі мікроорганізми синтезують ІУК. Крім того багато асоціативних діазотрофів (Azotobacter, Azospirillum, Pseudomonas) синтезують бактеріоцидні та фунгіцидні речовини, які пригнічують фітопатогенів. Бактеріостатичними речовинами можуть бути лектини деяких грунтових діазотрофів (псевдомонад, азоспірил, ризобій), що обумовлюють антагоністичну дію цих бактерій. Можливі також механізми витіснення фітопатогна біоагентом шляхом конкуренції за вихідні субстрати або за окремі елементи живлення (наприклад, сидерофори, які допомагають зв’язувати залізо та інші метали), а також лізис клітин фітопатогенів за допомогою літичних ферментів, формування захисної біоплівки і продукції ліпопептидного антибіотика, що характеризується бактеріостатичною дією – сурфактину.

За сучасними уявленнями, участь діазотрофів у колообігу азоту доповнюється нещодавно відкритою здатністю багатьох з них переходити до протилежного азотфіксації процесу – денитрифікації за наявності нітратів у середовищі. До азотфіксації і денітрифікації здатні бактерії з різних родів (Bacillus, Pseudomonas, Agrobacterium, Azotobacter, Flavobacterium, Rhizobium Klebsiella та інші). Ці мікроорганізми, мешкаючи в ризосфері рослин, здійснюють один з цих процесів. Існує думка, що інокуляція насіння діазотрофами може не тільки змінювати активність процесу азотфіксації в агрофітоценозі, а й активність процесу денитріфікації. Культури, які максимально активізують азотфіксацію в ризосфері, здатні підвищувати врожай небобових рослин на 40 %.

Щільність ризосферних бактерій велика (досягає 10 млрд. клітин в 1 г ґрунту), тому міжмікробні взаємодії відіграють важливу роль у функціонуванні ризосферних асоціативних азотфіксаторів. Вони легко вступають в асоціації з різними мікроорганізмами, частіше за всього з целюлозоруйнуючими бактеріями, наприклад, Cellulomonas gelida. Останні дають доступне джерело вуглецю, а діазатрофи – джерело азоту. Аналогічні синтрофні асоціації описані для азотфіксуючих спірил і пектинруйнуючих бактерій роду Bacillus. У цьому випадку діазотрофи використовують продукти ферментації пектину – ацетатну і бурштинову кислоти, причому нітрогеназна активність в асоціації була набагато більша, ніж в чистій культурі.

У природних умовах часто спостерігаються асоціації діазотрофів з грибами родів Penicillum, Trichoderma. Діазотрофи (Bacillus megaterium, B. polymixa) використовують в цих асоціаціях метаболіти грибів (моносахариди, органічні кислоти, вітаміни) і постачають грибам азот, при цьому азотфіксуюча активність діазотрофів зростає.

Виявлено зв’язок діазотрофів з мікоризними грибами. Наприклад, Azospirillum і Сlostridium виділені із ектомікоризи піхти. Існує припущення, що азот, який фіксується діазотрофами, необхідний для мікоризних грибів для спороутворення. Мікоризні гриби різнопланово впливаючи на рослини (покращують фосфорне живлення, здійснюють гормональну регуляцію), змінюють кількісний та якісний склад кореневих ексудатів, тим самим впливають на ризосферні мікроорганізми, у тому числі на діазотрофи. Так, показано, що ендомікоризні гриби бобових рослин стимулюють азотфіксацію ризобіями у бульбочках.