8.3 Механизм взаимодействия растения и азотфиксатора

В симбиотических азотфиксирующих системах фиксация азота осуществляется в результате сложного взаимодействия микроорганизма и высшего растения. Несомненно, механизм процесса азотфиксации в клубеньках имеет своеобразные особенности, обусловленные совместным функционированием двух совершенно различных по своим свойствам партнеров, присутствием леггемоглобина, принимающего участие в процессе фиксации, и наличием бактероидов.

Процесс фиксации в симбиотической системе иллюстрируется схемой - рисунок 52, где видно, что растение и бактерии функционируют в единстве и что электрон-транспортной цепью между ними является леггемоглобин.

Высшее растение по схеме является источником углеродсодержащих соединений. Их трансформация обеспечивает получение энергетического материала для процессов активации и восстановления N₂. Активированный азот - конечный акцептор электронов. Продукты неполного окисления углеродсодержащих соединений служат акцепторами NH₃ и в клубеньках образуют аминокислоты, которые становятся доступными высшему растению. Растения выполняют роль накопителя углеродсодержащих соединений (продуктов фотосинтеза) и поставщика энергии.

Клубеньковые бактерии в стадии бактероидов проявляют способность с помощью нитрогеназы переносить активированный водород к азоту. Путь от N₂ до NH₃ рассматривается как восстановительный процесс. В последнее время получены доказательства локализации процесса азотфиксации в бактероидах с помощью измерения азотфиксирующей активности у фракции бактероидов, которую отделяли центрифугированием от других фракций клубенька.

8.4 Энергетическое обеспечение азотфиксации

Основным источником энергии для симбиотической азотфиксации, служит фотосинтез растения хозяина. Продукты фотосинтеза транспортируются в клубеньки преимущественно в виде сахарозы. Затем растение осуществляет анаэробный этап катаболизма сахарозы (гликолиз), в ходе которого вырабатывается относительно небольшое количество энергии.

На долю микросимбионта приходится выполнениеболее выгодной энергетической части катаболизма – цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). Основными углеводами, поступающими в бактероиды от растения-хозяина, являются С₄ –дикарбоновые кислоты – главным образом сукцинат и малат., которые непосредственно включаются в ЦТК.

Рисунок 52 - Схема симбиотической азотфиксации (по В. Шильниковой, 1974)

Поэтому интенсивность работы нитрогеназной системы бактероидов в значительной степени определяется генами, обеспечивающими транспорт дикарбоновых кислот в бактероиды. Основную роль в этом процессе играют три гена: dctA (кодирует мембранную сукцинат-пермеазу), dctB и dctD (кодируют белки двухкомпонентной регуляторной системы, определяющие транскрипцию dctA). Белок DctВ является сенсором, встроенным в мембрану бактероидов и реагирующим на присутствие дикарбоновых кислот, а DctD взаимодействует с промотором гена dctA, облегчая посадку на него РНК-полимеразы. Система транспорта дикарбоновых кислот является одним из «узких мест», лимитирующих интенсивность симбиотической азотфиксации.

Со стороны растения-хозяина энергетика клубеньков обеспечивается синтезом клубенек-специфичных изоформ ферментов С-метаболизма – рисунок 53. среди них одно из центральных мест занимает сахарозосинтетаза (SS), гидролизующая сахарозу с участием уридиндифосфата. Образующиеся в результате гидролиза гексозы (глюкоза и фруктоза) претерпевают обычный путь катаболизма – гликолиз. Альтернативный путь – пентозофосфатный цикл, по-видимому, имеет в клубеньках второстепенное значение.

Так как количество углерода в клубеньках является одним из основных факторов, лимитирующих азотфиксацию, важное значение приобретает нефотосинтетическая (темновая) фиксация углекислого газа, катализируемая фосфоенолпируваткарбоксилазой (PEPC):

Фосфоенолпируват + СО₂ = малат.

Эта реакция – источник около четверти атомов углерода, поступающих в составе малата и других энергетических субстратов в бактероиды. Таким образом за счет работы PEPC рециклизируется существенная часть двуокиси углерода, выделяемой при дыхании, которое в клубеньках идет очень активно.