Microbiology

В связи с заметным обогащением почвы связанным азотом его симбио-тическая фиксация давно обратила на себя внимание при разных агро технических приемах (пар, севооборот), и ее стали сознательно исполь­зовать в сельском хозяйстве.

На то, что клевер и другие бобовые растения обогащают почву азотом, впервые указал Буссенго. Установление связи между фиксацией азота и корневыми клубеньками бобовых явилось заслугой Хелльригеля и Вильфарта (1886-1888). Бобовые могут расти в отстутствие связанного азота лишь в том случае, если их корни усеяны клубеньками, которые образуются в результате за ражения корневых волосков бактериями из почвы (рис. 13.1).

Корневые клубеньки бобовых растений. Бактерии, вызывающие обра зование клубеньков у бобовых растений (клубеньковые бактерии), отно сятся к роду Rhizobium. При свободном существовании в почве эти аэ робные  грам-отрицательные  палочки  растут как  сапрофиты   за  счет органических соединений. По специфичности в отношении растения-хо зяина, а также по некоторым другим признакам различают несколько видов клубеньковых бактерий (Rhizobium leguminosarum, R. meliloti, R.trifolii, R. phaseoli, R. lupini, R. japonicum и др.).

Заражение растения происходит только через молодые корневые во лоски (рис. 13.1). Бактерии внедряются на самом конце или около конца волоска и растут в форме инфекционной нити до его основания. Затем такие нити, одетые целлюлозной оболочкой, проникают сквозь тонкие стенки молодых клеток эпидермиса в кору корня. Натолкнувшись здесь на одну из тетраплоидных клеток коры, нить стимулирует деление как самой этой клетки, так и соседних диплоидных клеток. Инфекционные нити разветвляются и распределяются по тетраплоидным клеткам. В результате такого разрастания тканей, вызванного Rhizobiumпри уча стии ростового вещества, происходит образование клубеньков. Бакте рии в клубеньках размножаются очень быстро и образуют крупные клетки неправильной формы (бактероиды), объем которых может в 10-12 раз превышать объем свободноживущих Rhizobium; бактероиды располагаются по отдельности или группами, окруженные мембраной, в цитоплазме растительных клеток. Ткань, заполненная бактериями, имеет красноватую окраску-она содержит пигмент леггемоглобин, род ственный гемоглобину. Молекулярный азот фиксируют только те клу беньки, в которых имеется леггемоглобин; «пустые», не содержащие пигмента клубеньки к фиксации азота не способны. Появление пигмента в ткани совпадает по времени с началом фиксации N₂. При разрушении леггемоглобина с образованием зеленых желчных пигментов (биливер-динов) прекращается и связывание азота. Леггемоглобин, по всей ве­роятности, находится в цитоплазме растительной клетки, а не в про странствах между бактероидами и окружающими их мембранами. Образование пигмента-это специфический результат симбиоза: просте-тическая группа (протогем) синтезируется бактероидами, а белковый компонент-при участии растения. Леггемоглобин сходен с миоглоби-ном, в клубеньках он представлен в основном Ре(П)-содержащей фор­мой. Этот пигмент обладает высоким сродством к кислороду. Можно предполагать, что леггемоглобин облегчает диффузию кислорода через клетку растения к бактероиду. Благодаря особым свойствам леггемо­глобина бактероиды снабжаются кислородом в количестве, достаточ ном для их роста и для получения энергии, и в то же время не создается слишком высокого парциального давления 0₂, неблагоприятного для фиксации азота бактероидами.

Пока еще недостаточно выяснено, что лежит в основе специфичности сим биоза Rhizobium с растением-хозяином. Согласно новой гипотезе, которую сей час пытаются проверить, уже при первом контакте бактерий с корневым воло ском определяется, подходят ли партнеры друг к другу. Бобовые растения содержат лектины-гликопротеины, способные специфически связывать полиса хариды. Лектины широко распространены в природе и выполняют, по-видимо му, функцию распознавания. Предполагают, что лектины находятся на наруж ной поверхности корневых волосков; в то же время наружный слой клеточной стенкиRhizobium содержит видоспецифичные полисахаридные цепи. Возможно, что именно взаимодействие лектинов корневого волоска с поверхностными по лисахаридами Rhizobium определяет, будет ли волосок инфицирован.

В том случае, если партнеры совместимы, возникает истинный сим биоз между растением и Rhizobium.Растение обеспечивает бактерий питательными веществами (главным образом сахарами) и создает для них оптимальные условия. Когда растение отмирает, в почву попадает больше жизнеспособных бактерий, чем там могло бы расти без симбио-тической ассоциации. Фиксация N₂ происходит только в бактероидах, причем около 95% фиксированного азота переходит в виде ионов аммо ния в цитоплазму растения-хозяина.

Помимо корневых клубеньков встречаются также клубеньки на стеб лях, содержащие бактероиды Rhizobium;такие стеблевые клубеньки образуются, например, у влаголюбивого бобового растения централь ной Африки Sesbania rostrata.

Маловероятно, что и свободно живущие в почве ризобии способны фиксировать N₂. Лишь у немногих штаммов удалось обнаружить в ко лониях на агаризованной питательной среде нитрогеназу. Образование нитрогеназы в колониях зависело от парциального давления 0₂.

Корневые клубеньки у небобовых растений. У некоторых растений, не относящихся к бобовым, тоже имеются корневые клубеньки, способные фиксировать N₂. Фиксация азота и здесь основана на симбиозе с прока риотами. В случае эндосимбионтов речь идет в большинстве случаев об актиномицетах, принадлежащих к роду Franckia.

Хозяевами актиномицетов-симбионтов могут быть как древесные, так и травянистые растения. Они распространены по всему свету и первыми появляются в местах, где почва бедна азотом. Накопление азота в почве при участии таких растений может достигать 150-300 кг на 1 га в год и имеет поэтому большое хозяйственное значение. К рас тениям, наиболее эффективно связывающим азот, относятся Casuarinaequisetifolia, ольха (Alnus), облепиха (Hippophae) и Ceanothus; менее эф фективны в этом отношении восковница (Myrica), куропаточья трава (Dryas), лох (Elaeagnus) и Shepherdia.

Корневые клубеньки древесных растений могут достигать размеров теннисного мяча. Они представляют собой густые сплетения корней, разветвленных наподобие кораллов и прекративших рост. У казуарины клубеньки состоят из рыхлого пучка утолщенных корней с отрицатель но геотропным ростом. Бактерии-симбионты инфицируют только па-ренхимные клетки в коре корня. Так же как и у бобовых, инфекция про­никает в корни из почвы через корневые волоски; в клубеньках тоже образуется леггемоглобин. Лишь недавно у одного из растений, не от носящихся к бобовым,-Parasponia parviflora (ильмовые)-был обнаружен в качестве эндосимбионта штамм Rhizobium. Удалось даже перенести этот штамм на бобовые растения. Клубеньки древесных растений ак тивно фиксируют N₂.

Симбиозы с азотфиксирующими цианобактериями. Цианобактерии то же могут быть фиксирующими азот партнерами в симбиозе с высшими растениями. У водного папоротника Azolla, растущего на поверхности стоячих тропических водоемов, цианобактерии содержатся в полостях листьев. Симбиотический партнер этого растения - Апа'оаепа azollae. В то время как свободкоживущие виды Anabaena содержат лишь немного (5%) гетероцист, в трихомах симбиотических видов 15-20% клеток со ставляют гетероцисты. Такое соотношение само по себе указывает на активное связывание азота. Измерения активности нитрогеназы под тверждают это предположение. Azolla растет на поверхности зато пленных рисовых полей и может при надлежащей агротехнике пол ностью удовлетворить потребность риса в азоте. Накопление азота в почве в результате симбиоза Anabaena с Azolla составляет около 300 кг/га в год. Сходный симбиоз наблюдается между печеночниками (Blasia pusilla, Anthoceros punctatus, Peltigera) и Nostoc.

У тропического кустарника Gunnera macrophylla симбиотические циа-нобактерии Nostoc punctiformeнаходятся в нижней части ствола, а имен но в специальных железах в местах отхождения листовых черешков. Этот вид Nostoc тоже образует гетероцисты и нитрогеназу.