Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

САМАРКАНДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АЛИШЕРА НАВОИ

На правах рукописи

УДК 576.8

ДИССЕРТАЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕПЕНИ МАГИСТРА

ИЗУЧЕНИЕ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ ОБЛЕПИХИ КРУШИНОВИДНОЙ, ПРОИЗРАСТАЮЩЕЙ В ЗАРАФШАНСКОМ ЗАПОВЕДНИКЕ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: 5А420106 «МИКРОБИОЛОГИЯ»

ПРЕЙС ЗИНАИДА

Научный руководитель: доц.Кабулова ФД.

САМАРКАНД - 2012

Оглавление

Введение

1. Обзор литературный

1.1 Характеристика и значение облепихи крушиновидной

1.2 Особенности взаимодействия растений с почвенными микроорганизмами

1.2.1 Корневые выделения растений и их биологическая роль

1.2.2 Симбиотические отношения между макро- и микросимбионтами

1.3 Клубеньковые образования у небобовых растений

1.3.1 Характеристика корневых и листовых клубеньков

1.3.2 Симбиоз актиномицетов с лоховыми

1.4 Характеристика актиномицетов - как азотфиксирующих симбионтов лоховых

2. Условия, объекты и методы исследования

2.1 Условия проведения исследований

2.2 Объекты исследований

2.3 Методы исследований

3. Результаты исследований

3.1 Морфологическая и биохимическая характеристика форм облепихи, используемые в исследованиях

3.2 Исследование корневой системы различных форм облепихи

3.3 Исследование клубеньковых образований корневой системы облепихи

Выводы

Рекомендации

Список литературы

Введение

Актуальность темы. Ритмы нашей жизни неразрывно связаны с ритмами природы. Современная цивилизация осуществляет невиданное давление на природу. В своем «триумфальном» шествии люди часто оставляют после себя покрытые солончаками, затопленные болотами, изрытые карьерами, непригодные для жилья и хозяйствования территории. Сегодня прогресс со всей остротой поставил проблему взаимодействия человека с землей. Современный глобальный экологический кризис может быть определен как нарушение равновесия в экологических системах и в отношениях человеческого общества с природой.

Кислотные дожди, глобальное потепление (так называемый парниковый эффект), возникновение озоновых дыр и другие приметы неблагополучного состояния атмосферы оказывают неблагоприятное воздействие на человечество, происходит загрязнение продуктов питания радионуклидами, токсинами и другими вредными для человека веществами. В настоящее время 60% населения земного шара проживают в районах повышенного риска природных и техногенных катастроф. Изменения геофизических полей приводят к спазмам сосудов, мгновенному нарушению функций жизненно важных органов. Человек вступает в ступор или, наоборот, крайне возбуждается. Сложно найти человека свободного от страхов и тревог. Поэтому здоровое тело - редкость, а продлить хорошее самочувствие можно только при помощи витаминов.

Двадцать лет продуктовый ассортимент был не таким широким как сейчас, зато более ценным по содержанию полезных веществ. Сегодня даже при очень разнообразном меню будет сохраняться витаминный запас в 20-30%. Всемирная организация здравоохранения считает дефицит витаминов особым голодом, который приводит к задержке в умственном и физическом развитии. На проходившей в Дании конференции по проблемам детского здоровья было отмечено, что в мире, в среднем, 40% шестилеток по уровню интеллектуального развития не готовы идти в школу. В 80-е годы таких первоклашек насчитывалось вдвое меньше. Причина такого явления: недостаточное поступление витаминов и незаменимых микроэлементов, необходимых для нормальных обменных процессов в организме и деятельности центральной нервной системы ребенка.

Природными источниками витаминов и биологически активных веществ являются плоды, ягоды, листья, кора, почки растений. Известно, что фрукты являются обязательным компонентом пищевого рациона богатый запас витаминов, сахаров, органических и других веществ дают плодовые культуры: яблоня, груша, вишня, слива и т.д.

Однако в последние годы возрос интерес к нетрадиционным растениям: барбарису, боярышнику, облепихе и т.д. Каждое из этих культурных и дикорастущих растений обладает уникальными хозяйственно-ценными признаками.

Большим спросом у населения пользуется облепиха, которую выращивают не только в прошводственных насаждениях, но и на приусадебных хозяйствах.

Облепиха является уникальной культурой. Плоды ее богаты витаминами, маслом. Кора, листья, семена и почки облепихи используются в качестве лекарственного сырья, кроме того, облепиха обладает экологической пластичностью, что очень важно для современного состояния биосферы.

Данную культуру можно выращивать на бедных и эродированных (бросовых) землях, малопригодных для основных сельскохозяйственных культур. С экономической точки зрения это весьма выгодно, так как в большинстве районов смытая и потенциально эрозионно-опасная пашня составляет большие территории.

Особую ценность представляет свойство облепихи симбиотически, с помощью микроорганшмов в корневых клубеньках, усваивать атмосферный азот и обогащать им почву. Во всем мире ощущается дефицит почвенного азота, а избыточно вносимые минеральные удобрения загрязняют среду вредными для человека соединениями.

Виды семейства Лоховые (Elaeagnaceae) Hippophaё rhamnoides L., Elaeagnus angustifolia L., Shepherdia argentea (Pursh) Nutt. являются типичными представителями актиноризных растений, насчитывающих к настоящему времени 200 видов из 25 родов и 8 семейств [102]. Актиноризные растения вступают в симбиоз с азотфиксирующими почвенными бактериями из рода Frankia порядка Actinomycetales. Наряду с широко известным бобово-ризобиальным симбиозом актиноризный симбиоз вносит существенный вклад в поступление биологическогоазота в наземные экосистемы. В отличие от бобово-ризобиального симбиоза, вносящего существенный вклад в продуктивность агроценозов Сидорова и др. [59], актиноризный симбиоз играет важную роль в функционировании природныхэкосистем. Благодаря азотфиксирующей способности актиноризные растения выступают как пионерные виды в заселении крайне неблагоприятных местообитаний, включая песчаные дюны, засоленные и техногенно нарушенныеземли [100].

Кроме того, эта группа растений важна экономически, так как многие ее представители являются источниками ценной биомассы и плодов, а также используются как объекты озеленения и предшественники других экономически важных растений - зерновых, технических и др.

Определение количества азота, фиксированного актиноризными растениями, показало, что они идентичны бобовым культурам. Поступление азота составляет 40-350 кг на гектар почвы в год. Азотфиксирующая активность клубеньков актиноризных растений равна или выше, чем у бобовых в системе бобово-ризобиального симбиоза [112].

Цель и задачи исследования. Целью данного исследования является изучение клубеньковых бактерий облепихи крушиновидной, произрастающей в Зарафшанском заповеднике.

Для достижения этой цели были поставлены нижеследующие задачи:

- изучить морфологическую и биохимическую характеристику форм облепихи, используемых в исследованиях;

- исследовать корневую систему различных форм облепихи;

- исследовать клубеньковые образование корневой системы облепихи.

Степень решения проблемы. Учитывая цели и задачи данного исследования проведён анализ литературы по следующим направлениям:

- характеристика и значение облепихи крушиновидной.

- особенности взаимодействия растений с почвенными микроорганизмами.

- корневые выделения растений и их биологическая роль.

- симбиотические отношения между макро- и микросимбионтами.

- клубеньковые образования у небобовых растений

- характеристика корневых и листовых клубеньков.

- симбиоз актиномицетов с лоховыми.

- характеристика актиномицетов - как азотфиксирующих симбионтов лоховых.

Основная часть магистерской диссертации выполнена в полевых и лабораторных условиях и проанализирована.

Научная новизна. Впервые в условиях Зарафшанского государственного заповедника изучена корневая система различных форм облепихи, выращенных в полевой коллекции, а также изучены клубеньковые образования на них.

Данная магистрская работа выполнена при поддержке сотрудников Зарафшанского государственного заповедника. Мы выражаем большую благодарность всем организациям оказавшим нам помощь и поддержку.

Предмет и объект исследования. Предмет исследования относится к ботанике и физиологии растений и направлен на изучение клубеньковых образований облепихи крушиновидной, произрастающей в Зарафшанском заповеднике. Объектом исследования является облепиха крушиновидная, произрастающая на территории Зарафшанского государственного заповедника. Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть использованы для дальнейшего размножения форм облепихи на бедных песчаных и галечниковых почвах с целью повышения плодородия почв.

Рекомендация к защите:

- охарактеризовать морфологическую и биохимическую характеристику форм облепихи, используемых в исследованиях;

- представить данные по исследованию корневой системы различных форм облепихи;

- представить данные по исследованию клубеньковых образований корневой системы облепихи.

Апробация работы. Результаты исследований были обсуждены на заседаниях кафедры ботаники и физиологии растений СамГУ (2012 год) и на научной конференции магистров. Итоги исследований были изложены и опубликованы в виде 2 статей в материалах республиканских конференциях молодых ученых:

1. Республиканская конференция молодах ученых, проведенная в рамках программы Школа экобизнеса для молодёжи, организованная Экологическим движением Узбекистана на тему: «Экология ва бизнес табиат билан уйгунлик сари», Ташкент, 2012.

2. Республиканская научно-практическая конференция молодых ученых «Проблемы сохранения агробиоразнообразия, его роль в развитии АПК, достижения продовольственной безопасности и устойчивости окружающей среды», Самарканд, 2012.

Объем и строение диссертации. Магистрская работа состоит из 90 страниц включающая введение, обзор литературы, основная часть (условия, объект, методы и результаты исследований), выводы, рекомендации, список использованной литературы, 6 таблиц, 8 фотографий. В диссертации использовано 113 литературных источников, из них 33 иностранных.

1. Обзор литературный

1.1 Характеристика и значение облепихи крушиновидной

Среди дикорастущих растений Узбекистана особое место занимает облепиха крушиновидная - ценное пищевое, лекарственное и декоративное растение. Это древовидный кустарник высотой от 2, 5 - 6 м высотой, который в основном встречается вдоль рек. В дикорастущих зарослях образует большое разнообразие форм, которые всесторонне изучаются. Каждый орган растения содержит в своем составе комплекс биологически активных веществ, которые полезны человеку. Одной из особенностей облепихи является ее способность фиксировать атмосферный азот атмосферы.

Облепиха с древних времен использовалась в многочисленных лечебных сборах народной медицины [10]. Плоды и листья применялись в тибетской медицине 1300 лет назад. В народной медицине плоды и листья применяли для лечения желудочных, ревматических заболеваний. В тибетской медицине сладкие препараты из облепихи применяли для прекращения кровотечений при распаде легких. Сердцевина ствола использовалась для усиления свертываемости крови, снятия коклюшей боли и жара, зола - при болях в тонких кишках [4].

Плоды (семена) облепихи содержат ненасыщенные жирные кислоты, до 3% органических кислот, дубильные вещества, флавоноиды, витамины (А, С, В₁, В₂, В₁₂, Е, К, Р), до 12% сахаров, 15 микроэлементов и другие биологически активные вещества. Плоды содержат до 8% жирного масла. Благодаря этому облепиха является прекрасным иммуномодулятором и иммунопротектором [57, 7, 71].

Плоды облепихи и продукты ее переработки содержат значительное количество аминокислот и минеральных веществ, таких как калий, магний и кальций. Облепиха содержит полиненасыщенные жирные кислоты - линолевую и линоленовую, являющиеся биоантиоксидантами. В ее плодах имеется фурокумарин, лейкоантоциан, а в коре - серотонин, обладающий противоопухолевым действием. Из серотонина изготавливают препарат - гиппофеин, который сдерживает развитие десяти видов злокачественных опухолей [101].

Перечисленные вещества содержатся в плодах, листьях, семенах и корнях облепихи. Использование содержащегося в облепихе бета-каротина (провитамина А) способствует развитию эмбриона человека, течению беременности, росту и общему состоянию человека. Облепиха - эффективное средство предупреждения инфекционных болезней. Она восстанавливает силы человека после сложных хирургических операций, делает кровеносные сосуды эластичными. Достаточное количество альфа-токоферола обеспечивает нормальное функционирование сердца, желез внутренней секреции и других органов. Профилактические приемы продуктов и препаратов из облепихи позволяет предупредить заболевания органов дыхания, желудочно-кишечного тракта, в том числе язвенные и предъязвенные процессы, а также заболевания половых органов [57].

В медицинской практике широкое применение находит облепиховое масло, которое оказывает эпителизирующее действие, стимулирует рост грануляций и заживляет раны. Обладает болеутоляющим и антисептическим свойством [79, 78, 36, 52]. Масло применяют в послеоперационном периоде при удалении небных миндалин, а также при лечении некоторых форм острого и хронического гайморита [69, 51] указывает на лечебное действие облепихового масла при атеросклерозе.

Облепиховое масло оказывает положительное действие на состояние гематологических показателей красной крови и биохимических показателей, отражающих состояние окислительно-восстановительных процессов функции печени [1]. Оно обладает защитным действием по отношению к клеточным и субклеточным мембранам при повреждении их гликопротеидных комплексов [38]. Облепиховое масло оказывает нормализующий эффект на концентрацию нуклеиновых кислот в печени при ее хроническом поражении [45], оказывает выраженное анаболитическое влияние на белковый обмен [45, 38].

Установлено, что облепиховое масло в завышенных дозах не оказывает токсического действия на биохимические показатели организма, оно интенсифицирует окислительный метаболизм углеводов, создавая тем самым все условия для стимуляции белкового синтеза.

И.И.Матафонов [47] приводит обобщенные данные по фармакологии, лечебному применению, химическому составу и свойствам препаратов из облепихи (плоды, масло, натуральный сок, жом, экстракт, настойка, гипофеин, листья, побеги и корень).

А.А.Лагерь [37] указывает на широкое применение всех частей растения облепихи (плодов, семян, листьев, ветвей, коры и древесины) в древней медицине. Облепиховое масло широко использует масло при различных заболеваниях кожи, слизистой оболочки рта, пищевода, язве желудка и двенадцатиперстной кишки, как профилактическое средство для уменьшения дегенеративных изменений слизистой оболочки пищевода при лучевой терапии рака. Масло используется при лечении гинекологических заболеваний, для ингаляций при хронических заболеваниях верхних дыхательных путей. Экстракты из коры облепихи обладают цитостатическим и противовоопухолевым действием, тормозя рост прививаемых белым мышам опухолей Пухальская, Петрова, Меньшиков [55]. Алкалоид гиппофеин, найденный в коре облепихи используется в комплексе с рентгенотерапией при лечении раковых заболеваний Балицкий и др. [5]. В.Ф.Турецкая и О.В.Азарова [68] указывают на то, что кора и побеги облепихи могут служить источником биологически активных веществ противоязвенного действия, в частности каротиноидов, суммы липофильных веществ, кумаринов, флавоноидов и дубильных веществ. По содержанию витаминов плоды облепихи стоят на одном из первых мест среди плодовых и ягодных культур.

Л.И.Вигоров [9] установил, что облепиха накапливает витамин Е, его количество в плодах составляет от 8 до 16 мг%. В плодах облепихи обнаружено высокое содержание витамина К₁(0,8-1,2 мг%). В облепихе найдено 3-6 мг% серотонина, которое стабилизирует кровяное давление и обладает противоопухолевым действием. Плоды облепихи применяют для профилактики склероза, язвенной болезни, гастрита, дистрофии мышц, а также для предупреждения склеротических изменений стенок кровеносных сосудов.

Следует отметить, что плоды облепихи с давних пор использовались как пищевой продукт в свежем и переработанном виде [10, 66].

Из них приготавливают компоты, варенье, джемы, соки, мармелад, нектар, масло, пюре, желе, настои. Облепиха также используется в парфюмерии при изготовлении шампуней, косметических кремов, освежителей кожи, красок для волос. Облепиха используется в агролесомелиорации как закрепитель песков, склонов, оврагов, сильно эродированных земель, непригодных для дальнейшей эксплуатации [40, 54,65, 39]. В последние годы облепиха нашла широкое применение при рекультивации отвалов каменноугольных шахт, разрезов, карьеров, а ее свойство образовывать мощную корневую систему используется для укрепления прибрежных наносов рек [11].

Заросли облепихи играют существенную роль в жизни в животных. Особенно заросли облепихи являются любимым местом обитания фазанов. На это указывает одно из народных немецких названий облепихи - Fasanbeere (фазанья ягода) Darmer, [99]. На берегах озера Иссык-Куль на базе естественных зарослей созданы заповедники и охотничьи хозяйства, в которых обитает множество фазанов. В 1975 году в Узбекистане, на территории Самаркандской области был организован Зарафшанский заповедник целью которого было сохранение и восстановление зарафшанского фазана и его кормовой базы облепихи крушиновидной.

1.2 Особенности взаимодействия растений с почвенными микроорганизмами

1.2.1 Корневые выделения растений и их биологическая роль

Одной из основных проблем современной биологии и, в частности, экологии, является изучение факторов и механизмов, регулирующих формирование структуры экосистем, их функционирование и динамику. Химические метаболиты и биохимические процессы, в которые они вовлечены и результатом которых являются, играют основополагающую роль в опосредовании и регуляции межорганизменных отношений.

Любой живой организм, являясь открытой системой, способен обмениваться с окружающей его средой, в том числе и с другими живыми организмами, веществом, энергией и информацией. В целом, взаимодействия между живыми организмами (членами биоценозов) можно разделить на два основных типа:

1) взаимодействия, основанные на использовании живыми организмами веществ, служащих источниками энергии для них, или выполняющих роль строительных компонентов, без которых невозможен рост и развитие любого организма;

2) взаимодействия с участием молекул, обеспечивающих регуляцию отношений членов биоценоза, или обеспечивающих передачу информации от одного организма к другому.

Биохимические взаимодействия в биоценозе весьма разнообразны. Это объясняется различиями физиолого-биохимических процессов, лежащих в основе функционирования представителей различных царств живых организмов, а также той средой обитания, экологическими нишами, которые занимают эти организмы. Вещества, продуцируемые организмами, могут служить в качестве аттрактантов, факторов защиты и атаки, для регуляции взаимодействий внутри популяции или внутри биоценоза, для сдерживания конкурентов, за те или иные ресурсы, а, порой, одно и тоже вещество может выполнять различные функции в зависимости от микроокружения данного организма [30].

В выделениях растений имеются компоненты, которые позволяют этим организмам выполнять разнообразные функции:

1) подвижные, которыми растения обмениваются с окружающей средой;

2) балластные, от которых растения освобождаются;

3) привлекающие полезных и отпугивающие вредных для растений организмов;

4) вещества, полученные от симбионтов;

Из корней в почву выделяются разнообразные органические вещества, благодаря широкому спектру которых растения способствуют круговороту физиологически активных соединений в фитоценозах и в биоценозах в целом.

Выделение органических веществ в почву является активным физиологическим процессом. Некоторые вещества определяют аллелопатические отношения в фитоценозах, другие - играют важную роль во взаимодействиях растений с почвенной микрофлорой, в том числе и с микроорганизмами, способными вступать в симбиотические отношения с макросимбионтом.

Положительное влияние корневых выделений на микрофлору получило название ризосферного эффекта. Наряду с этим установлено и противоположное явление -- ризосферный "антиэффект11, заключающийся в том, что корневые выделения угнетают или убивают некоторые существующие в среде микроорганизмы и тем самым формируют вокруг себя новый состав микрофлоры .

Взаимодействие корневых выделений с микрофлорой почвы очень сложно и неоднозначно. Корни растений, растущих в природных условиях, окружены определенными популяциями бактерий, грибов, актиномицетов, среди которых могут быть и симбиотрофные виды.

Взаимоотношение ризосферного растения с клубеньковыми бактериями начинается намного раньше, чем происходит непосредственный контакт между ними и осуществляется оно посредством химических веществ, источником которых могут быть корневые выделения, негумифицированное органическое вещество, продукты жизнедеятельности микроорганизмов. Наиболее подвижными фракциями негумицированного органического вещества являются углеводы, белки, низкомолекулярные органические кислоты и биологически активные вещества, такие как фенольные соединения, витамины, алкалоиды, гликозиды и фитогормоны. Эти соединения легко усваиваются почвенной микрофлорой и, в основном, сосредотачиваются в корнеобитаемом слое, т.е. в зоне его ризосферы.

Показано, что за счет продуктов минерализации пожнивно-корневых остатков люпина и его корневых выделений повышается биологическая активность почвы. Корневые выделения менее активны по сравнению с выделениями листьев и стеблей растений. В целом объем корневых выделений высших растений составляет 8-25% фотосинтетической продуктивности растений .

Наибольший интерес представляют вещества фенольной природы, которые принимают участие в важнейших физиолого-биохимических процессах. Они тесно связаны с процессами роста и развития. По мнению исследователей содержание фенольных веществ в растении, их распределение по отдельным органам может указывать на интенсивность протекающих в них процессов роста, степень онтогенетического развития, старения тканей. Известно, что вещества именно этой группы, синтезируемые высшими растениями, являются наиболее распространенными токсинами, обладают физиологической активностью и могут выступать активаторами или ингибиторами многих обменных процессов. По данным защитный эффект фенольных соединений, синтезируемых растениями против бактериальной инфекции, по-видимому, реализуется через ингибирование факторов вирулентности патогенов.

Некоторые растительные флавоноиды являются хемоэффекторами для клубеньковых бактерий, активными в очень низких концентрациях. Так, гесперидин и кверцетин задерживали, а в некоторых вариантах подавляли рост клубеньковых бактерий гороха со слабо выраженной пектиназной активностью и стимулировали рост ризобий с высокой пектиназной активностью.

Фенольные соединения корневых выделений растений могут выступать также в роли индукторов (сигнальных веществ) во взаимосвязях растения и микроорганизма. Установлено, что соединения фенольной природы являются активирующим компонентом экссудата корня и обладают способностью экспрессировать гены, необходимые для осуществления последовательных стадий взаимодействия растения-хозяина с микросимбионтом. Подобная функция флавоноидов описана для бактерий Risobium, имеющих nod-гены, ответственные за процессы формирования клубеньков на корнях растения-хозяина и экс-прессируемые веществами фенольной природы.

Фенольные соединения обнаружены в прижизненных корневых выделениях высших растений и значительное количество их поступает в субстрат с корневыми и послеуборочными остатками.

Многие фенольные вещества, идентифицированные в растениях, накапливаются в почве под ними в довольно значительных количествах. Даже связываясь с почвой, они сохраняют свою биологическую активность. Кроме того, при выращивании растений в нестерильных условиях источником фенольных соединений могут служить метаболиты микроорганизмов. Микроорганизмы также способны превращать некоторые неактивные продукты жизнедеятельности высших растений в соединения, которые оказывают ингибирующее действие на растения.

В корневых выделениях растений обнаружены органические кислоты, которые кроме токсинов, ингибиторов и ферментов играют немалую роль в защите растений от различных организмов, в частности, грибов и микроорганизмов. Поскольку органические кислоты изменяют рН среды, то в результате сдвига рН в область, где токсичность грибов понижается, растения уменьшают эффективность воздействия этих токсинов на корневую систему и все растение в целом.

Обнаруженные в корневых выделениях белки и вещества пептидной природы, в частности, ферменты, могут выступать в роли химических модификаторов токсичных для растений веществ, выделяемые патогенными для растений микроорганизмами или грибами. Некоторые ферменты наоборот - способны изменять вещества, находящиеся в почве таким образом, что они становятся весьма полезными для растений и микросимбионтов. Среди экскретируемых ферментов есть такие, которые катализируют перекисное окисление липидов в почве. В результате этого процесса образуется активная форма кислорода, являющаяся токсичной для некоторых микроорганизмов, окружающих растения.

Фитогормоны, обнаруженные в корневых выделениях высших растений, по-видимому, могут в какой-то степени принимать участие в конкурентных отношениях данного растения с другими членами фито- и биоценоза. Выделенные растением фитогормоны являются экзогенными регуляторами роста других растений. Известно, что вещества с физиологической активностью фитогормонов (например, гиббереллинов) обнаружены среди продуктов жизнедеятельности разнообразных почвенных обитателей (водорослей, актиномицетов, бактерий). Однако в литературе практически нет данных о влиянии экскретируемых растением фитогормонов на рост и развитие почвенных микроорганизмов.

Роль гиббереллиноподобных веществ, активно синтезируемых клубеньковыми бактериями, во взаимоотношениях с бобовыми растениями мало изучена. Гиббереллин снижает степень образования клубеньков, что вызвано его действием на растение-хозяина. Показано, что содержание гиббереллинов в клубеньках бобовых растений на несколько порядков выше, чем в корнях. Обнаружено также, что в листьях и корнях инокулированных растений содержание гиббереллиноподобных веществ и активность их выше по сравнению с неинокулированными. Накопление гиббереллиноподобных веществ в тканях растений связывают с регуляцией скорости деления, роста и развития клеток. Гиббереллин специфически повышает в тканях активность гидролаз, способствует высвобождению ИУК из связанных форм.

Не исключено, что некоторые химические вещества могут нести несколько экологических функций. Вещества, выделяемые растениями в почву в составе корневых выделений, могут играть важную роль в регуляции направления потока энергии через экосистему, где происходит разделение энергетического потока на пастбищную и детритную трофическую цепи. Та часть растительной биомассы, которая окажется доступной для редуцентов (грибов, бактерий) и усвоенной ими, идет по детритной трофической цепи. Та часть растений, которые окажутся недоступными (в значительной мере благодаря химическим средствам защиты растений) для бактерий и грибов, наоборот, становятся потенциальным энергетическим ресурсом для консументов 1-го порядка и может использоваться далее для пастбищной трофической цепи.

Важную роль в направлении энергии по пастбищно-трофическом направлении играют симбиотические отношения, возникающие между макро - и микросимбионтами. Растение, получающее больше азота за счет симбиоза с микросимбионтом, обладает повышенной устойчивостью к действию патогенных для него грибов и микроорганизмов.

В заключение следует сказать, что взаимоотношения клубеньковых бактерий с растением-хозяином происходит на различных стадиях развития макросимбионта. На формирование эффективного симбиоза влияет биохимическая среда вокруг корней растения. Некоторые биологически активные вещества (ферменты, сахара, органические кислоты и др.), выделяемые растением, способны стимулировать размножение клубеньковых бактерий, повышать их активность и вирулентность. Однако, известен и ингибирующий эффект некоторых веществ (например, некоторых веществ фенольной природы) на ризобии растений.

Хемотаксис в значительной степени определяет способность микросимбионтов адсорбироваться корнями растения (этап непосредственного взаимодействия партнеров. На первых этапах растительно-микробного взаимодействия вещества, выделяемые корнями растений (органические кислоты, сахара и др.) выполняют роль хемоэффекторов, то на последующих они могут использоваться микроорганизмами как субстраты для процессов роста.

облепиха почвенный микроорганизм клубеньковый

1.2.2 Симбиотические отношения между макро- и микросимбионтами

Потребность в азотных удобрениях ежегодно в мире увеличивается на 1.5%. На сегодняшний день каждый год в сельском хозяйстве используются сотни миллионов тонн азотных удобрений. Альтернативный источник азота позволил бы существенно удешевить производство сельскохозяйственной продукции и уменьшить экологические риски, связанные с применением азотных удобрений. Перспективным решением этой задачи является создание небобовых трансгенных растений, вступающих в азотфиксирующий симбиоз с клубеньковыми бактериями.

Симбиотическая фиксация атмосферного азота растениями является одним из основных процессов в природе, обеспечивающим почву связанным азотом, и следовательно, имеющим прямое отношение к повышению плодородия почв, увеличению продуктивности сельского и лесного хозяйства. Резкое удорожание азотных удобрений и растущая очевидность пагубных последствий их неорганизованного использования также служат существенными стимулами исследования этого процесса. В настоящее время становится все более очевидным, что еще длительное время изучение и оптимизация деятельности имеющихся в природе, а не создание новых типов симбиозов, будут основным путем развития исследований по биологической азотфиксации.

Фиксация азота встречается у различных групп растений. Широко распространена она у цианобактерий. Цианобактерии обитают практически во всех освещенных среды на Земле или играют ключевую роль в углерода или азота цикла biosphere.Generally, цианобактерии способны к использованию многообразия неорганических и биологических ресурсов смешанных с солями азота, аммония, нитритов, нитратов, как мочевина или какой-либо аминокислоты acids.

Потребность в азотных удобрениях ежегодно в мире увеличивается на 1.5%. На сегодняшний день каждый год в сельском хозяйстве используются сотни миллионов тонн азотных удобрений. Альтернативный источник азота позволил бы существенно удешевить производство сельскохозяйственной продукции и уменьшить экологические риски, связанные с применением азотных удобрений. Перспективным решением этой задачи является создание небобовых трансгенных растений, вступающих в азотфиксирующий симбиоз с клубеньковыми бактериями.

Одним из критических факторов на пути формирования бобово-ризобиального симбиоза являются лектины, которые обеспечивают узнавание растением-хозяином специфической для него бактерии. Эти белки, благодаря своим углеводсвязывающим свойствам, определяют избирательные взаимодействия растений с ризобиями, участвуя в адгезии бактерий к корневым волоскам, формировании инфекционных нитей и образовании клубеньков. В ряде работ ключевая роль лектинов убедительно доказана экспериментами, в которых внедрение гена лектина одних видов бобовых растений в другие приводило к тому, что последние приобретали способность дополнительно нодулироваться новым для них видом ризобий

Таким образом, эксперименты с трансгенными растениями, несущими различные гены лектинов бобовых, позволяют расширять круг микросимбионтов растений.

Из трех типов азотфиксирующих симбиозов - цианобактерий с голосеменными растениями, клубеньковых бактерий с бобовыми растениями и актиномицетов с покрытосеменными древесными и кустарниковыми растениями ("актинориза")- последний тип симбиоза наименее изучен [12].

Между тем этот симбиоз занимает первое место среди других по таксономическому разнообразию растений -хозяев, отличается значительной эффективностью процесса азот-фиксации, играет особую роль в природных экосистемах умеренного климата. Особенно примечательна роль этих растений как пионеров растительности: в течение сотен тысяч лет они поселялись на бесплодных землях, делая их плодородными для других растений. Актиноризные растения используются для повышения плодородия лесных и болотистых почв, в борьбе с эрозией и при рекультивации нарушенных земель. Хотя первые эмпирические попытки практического использования этих растений в сельском, лесном и садовом хозяйствах относятся ко временам древнего мира, обсуждаемое ныне использование симбиоза в рамках современных биотехнологических программ связано с необходимостью устранения многих белых пятен в знаниях о его природе и принципах функционирования.

Чистые культуры актиномицетов-эццосимбионтов p. Frankia удалось получить сравнительно недавно и ввделение их продолжает оставаться одной из актуальных задач, решение которой необходимо как для представления об объеме рода, его экологическом разнообразии, так и с практической целью - для выявления наиболее эффективных форм, которые могут быть использованы как основа нового бактериального удобрения. Франкии представляют интерес не только как активные симбиотические азотфиксаторы. Принадлежность франкий, способных фиксировать азот атмосферы в значительных количествах и в чистой культуре, к группе прокариот, имеющих большое промышленное значение, позволяет надеяться, что их практическая роль может быть дополнена использованием как продуцентов антибиотиков и других ценных метаболитов; продуцентов, способных расти на простых селективных средах без азота.

Известно, что корневые системы многих древесных растений вступают в тесную взаимосвязь с мицелием некоторых высших грибов, образуя микоризу. Между растением-хозяином и бактериями-симбионтами происходит обмен разнообразными химическими соединениями - продуктами обмена веществ. Микробы при этом получают питание (главным образом, сахара) и энергию для собственной жизнедеятельности, отдавая взамен растению азотные соединения и физиологически активные вещества, стимулирующие его рост и развитие. Рост-стимулирующие ризобактерии - универсальные симбионты высших растений, повышающие адаптивный потенциал своих хозяев за счет механизмов фиксации молекулярного азота, мобилизации труднодоступных питательных веществ почвы, защиты корней от патогенов, синтеза фитогормонов и витаминов [48, 49].

Среди этих эффектов наиболее изучена способность рост-стимулирующих бактерий ингибировать развитие почвенных патогенов, связанная с синтезом антифунгальных метаболитов, конкуренцией за питательные субстраты и поверхность корней, а также с индукцией защитных систем растений.

Почвенные микроорганизмы стимулируют выделение органических веществ корней, т.е. влияют на выделительную функцию растений; при этом усиливается метаболизм корней; микроорганизмы нейтрализуют вещества, входящие в состав корневых выделений и выделяют биологически активные вещества, являющиеся уже продуктами жизнедеятельности микроорганизмов.

Одним из важных свойств микроорганизмов является их способность к таксису, благодаря чему они находят специфические экологические ниши обитания - микрониши. Своеобразной нишей обитания клубеньковых бактерий является корень ризосферного растения. Различают три зоны активного взаимодействия микроорганизмов с корнем растения - корневая, прикорневая и зона ризосферы. Хемотаксис клубеньковых бактерий к корневым выделениям растения является, пожалуй, одним из первых этапов взаимодействия симбионтов, осуществляемого ими на доконтактном уровне. В тоже время происходит распознавание потенциальных симбионтов в форме обмена специфическими сигнальными молекулами, которые присутствуют в выделениях корней. Результатом обмена специфическими сигналами между партнерами является биохимические, морфологические, физиологические изменения в ответной реакции каждого из симбионтов, направленные на подчинение членов межвидового сообщества функционированию его как единого организма.

Указывая на роль хемотаксиса в распознавании бактериями растений-хозяев, считают, что таксисная реакция бывает двух типов: 1) таксис бактерий к простым молекулам (сахарам, органическим кислотам, аминокислотам), следствием которого является неспецифическое привлечение широкого круга микроорганизмов в ризосферу корня; 2) таксис к более крупным молекулам, выделяемым растительной тканью (флаванам, гормонам, ферментам и др.), осуществляемый в пределах самой ризосферы, в основе которого лежит обмен специфическими сигналами между микро- и макросимбионтом.

Биологическая фиксация атмосферного азота небобовыми растениями может иметь большое экономическое значение как потенциальный источник азота для сельского хозяйства. За последнее десятилетие установлено существование гораздо большего, чем предполагалось ранее, числа семейств растений, вступающих в эндогенный и экзогенный симбиоз с почвенными азотфиксирующими микроорганизмами. Определена способность к усвоению атмосферного азота в ризосфере производственно ценных сельскохозяйственных растений, обладающих значительной нитрогеназной активностью в зоне корней.

Азотфиксирующая способность отмечена в ризосфере риса, величина которой в 10 раз ниже по сравнению с азотфиксирующей активностью бобовых растений. Связывание азота атмосферы происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов, обитающих в почве ризосферы, населяющих поверхность и внутренние сферы корней, стеблей, листьев и использующих в качестве энергетического материала углеродные соединения, которые образуются растениями в процессе фотосинтеза.

Азотфиксирующие бактерии обнаружены в ризосфере риса, тропических трав, сахарного тростника, кукурузы, пшеницы, овсяницы, полевицы. Наиболее хорошо изученными являются взаимоотношения бобовых растений и клубеньковых бактерий.

Бобовые растения, благодаря симбиозу, т.е. взаимовыгодному сожительству с азотфиксирующими бактериями рода Rhizobium, обогащают почву азотными соединениями за счет фиксации атмосферного азота. А. Хелльригель в 1886 году объяснил подобную способность бобовых растений наличием на их корнях клубеньков, развитие которых вызывается микроорганизмами. Вывод немецкого ученого был подтвержден через несколько лет, когда голландскому бактериологу Мартину Бейеринку удалось выделить азотфиксирующий микроорганизм из клубеньков в чистой культуре. В дальнейшем была показана способность ризобий инфицировать корни бобовых и вызывать образование на них клубеньков, в которых собственно и протекает азотфиксация.

Бобово-ризобиальная система - межвидовое сообщество, образуемое высшими растениями (бобовыми) и микроорганизмами (клубеньковыми бактериями). В симбиотическом сообществе бактерии фиксируют азот атмосферы и передают его растению в доступной для него форме, а сами получают защиту от неблагополучных условий окружающей среды (клубенек -- растительное образование, содержащее бактерии) и источник питания (поступающие в клубенек ассимиляты растения).

Формирование азотфиксирующего клубенька на корне бобового растения представляет сложный многоэтапный процесс, в результате которого происходят глубокие структурные, физиологические, биохимические перестройки симбионтов.

Некоторые авторы связывают успешное протекание процессов прикрепления бактерий к корням растений наличием комплементарно соответствующих друг другу поверхностно локализованных структур партнеров. Выделяют следующие этапы образования клубенька: хемотаксис, индукция экспрессии nod-генов клубеньковых бактерий и выделение nod-фактора, скручивание корневых волосков, образование инфекционных нитей, деление клеток коры корня, морфогенез клубенька, проникновение бактерий в клетки растения с последующим их преобразованием в бактероиды, функционирование зрелого клубенька.

Клубеньки начинают образовываться на корнях после появления первых листьев, т.е. когда начинается фотосинтетическая деятельность растения. Наиболее интенсивно симбиотические клубеньки формируются в период активного роста и развития растения, когда формируется и начинает функционировать большая часть листьев. Листья являются одним из решающих факторов в процессе образования клубеньков, их развития и жизнедеятельности, поскольку они дают энергетический материал (глюкозу и другие органические вещества), необходимый как растению, так и микроорганизмам.

1.3 Клубеньковые образования у небобовых растений

1.3.1 Характеристика корневых и листовых клубеньков

Корневые клубеньки или образования, напоминающие клубеньки, широко распространены на корнях не только бобовых растений. Они обнаружены у голосеменных и покрытосеменных двудольных растений. Имеется до 200 видов различных растений, связывающих азот в симбиозе с микроорганизмами, образующими клубеньки на их корнях (или листьях). Клубеньки голосеменных растений (порядки Cycadales - саговники, Ginkgoales - гинкговые, Coniferales - хвойные) имеют ветвящуюся коралловидную, сферическую или четковидную форму. Они представляют собой утолщенные, видоизмененные боковые корни. Природа возбудителя, вызывающего их образование, до сих пор не выяснена. Эндофиты голосеменных растений относят и к грибам (фикомицетам), и к актиномицетам, и к бактериям, и к водорослям. Некоторые исследователи предполагают существование множественного симбиоза. Например, считают, что у саговников в симбиозе принимают участие азотобактер, клубеньковые бактерии и водоросли. Также не решен вопрос и о функции клубеньков у голосеменных. Ряд ученых пытается в первую очередь обосновать роль клубеньков как азотфиксаторов. Некоторые исследователи рассматривают клубеньки подокарповых как резервуары воды, а клубенькам саговников нередко приписывают функции воздушных корней. У ряда представителей покрытосеменных двудольных растений клубеньки на корнях были обнаружены свыше 100 лет назад.

В литературе имеется характеристика клубеньков деревьев, кустарников и полукустарников (семейства Coriariaceae, Myricaceae, Betulaceae, Casuarinaceae, Elaeagnaceae, Rhamnaceae), входящих в эту группу. Клубеньки большинства представителей данной группы -- коралловидные гроздья розово-красного цвета, с возрастом приобретающие коричневую окраску. Имеются данные о наличии в них гемоглобина. У видов рода Elaeagnus (лоховые) клубеньки белого цвета. Нередко клубеньки имеют большие размеры. У казуарин (Casuarina) они достигают в длину 15 см. Функционируют несколько лет. Растения с клубеньками распространены в разных климатических поясах или приурочены к определенному ареалу. Так, Shepherdia и Ceanothus встречаются только в Северной Америке, Casuarina - преимущественно в Австралии. Значительно шире распространены лоховые и облепиха [6].

Многие растения рассматриваемой группы произрастают на бедных питательными элементами почвах - песках, дюнах, скальных породах, болотах. Подробнее всего изучены клубеньки ольхи (Alnus), в частности A. glutinosa, обнаруженные еще в 70-х годах прошлого столетия М. С. Ворониным. Существует предположение, что клубеньки свойственны не только современным, но и вымершим видам ольхи, поскольку их находили на корнях ископаемой ольхи в третичных отложениях долины реки Алдана - в Якутии.

Эндофит в клубеньках полиморфен. Он обычно встречается в виде гиф, везикул и бактероидов Таксономическое положение эндофита до сих пор не установлено, поскольку многочисленные попытки выделить его в чистую культуру оказывались бесплодными, а если и удавалось выделить культуры, они оказывались невирулентными.

Основное значение всей этой группы растений, по-видимому, заключается в способности фиксировать молекулярный азот в симбиозе с эндофитом. Произрастая в областях, где разведение сельскохозяйственных растений с точки зрения экономики нерационально, они играют роль пионеров в освоении земли. Так, ежегодная прибавка азота в почве дюн Ирландии (мыс Верде) под посадками Casuarina equisetifolia достигает 140 кг/га. Содержание азота в почве под ольхой на 30-50% выше, чем под березой, сосной, ивой. В высушенных листьях ольхи азота вдвое больше, чем в листьях других древесных растений. По расчетам ученных, роща ольхи (в среднем 5 растений на 1 м²) даёт за 7 лет прибавку азота 700 кг/га.

Значительно реже клубеньки встречаются у представителей семейства Zygophyllaceae (парнолистниковые). Впервые они были обнаружены на корневой системе Tribulus terrestris. Позднее клубеньки были найдены и у других видов якорцев.

Большинство представителей семейства Zygophyllaceae -- ксерофитные кустарники или многолетние травы. Они распространены в пустынях тропических и субтропических областей, растут и на песчаных дюнах, пустошах и болотах умеренного пояса.

Интересно отметить, что такие тропические растения, как парнолистник ярко-красный, образуют клубеньки только при высокой температуре и низкой влажности почвы. Увлажнение почвы до 80% от полной влагоемкости препятствует формированию клубеньков. Как известно, у бобовых растений умеренного климата наблюдается обратное явление. При недостаточной влажности они не образуют клубеньков. Клубеньки у растений семейства парнолистниковых различаются размерами и расположением на корневой системе. Крупные клубеньки обычно развиваются на главном корне и близко от поверхности почвы. Более мелкие находятся на боковых корнях и на большей глубине. Иногда клубеньки образуются на стеблях, если они лежат на поверхности почвы.

Клубеньки у якорцев наземных на песках вдоль Южного Буга имеют вид мелких белых слегка заостренных или круглых бородавок. Они обычно покрыты сплетением грибных гиф, проникающих внутрь коры корня.

У парнолистника ярко-красного клубеньки представляют собой концевые утолщения боковых корней растений. В клубеньках обнаруживаются бактероиды; бактерии очень напоминают клубеньковые.

Клубеньки тропических растений Tribulus cistoides твердые, округлые, около 1 мм в диаметре, соединены с корнями широким основанием, на старых корнях нередко мутовчатые. Чаще располагаются на корнях, чередуясь, с одной или с двух сторон. Для клубеньков характерно отсутствие зоны меристемы. Подобное явление отмечается при образовании клубеньков у хвойных растений. Клубенек поэтому возникает за счет деления клеток перицикла стелы.

Гистологическое изучение клубеньков Tribulus cistoides на разных стадиях развития показало, что в них отсутствуют микроорганизмы. На основании, этого, а также скопления в клубеньках больших количеств крахмала их считают образованиями, выполняющими функцию обеспечения растений запасными питательными веществами.

Клубеньки вейника лесного -- сферические или несколько удлиненные образования до 4 мм в диаметре, плотно сидящие на корнях растений. Цвет молодых клубеньков чаще всего белый, изредка розоватый, старых - желтый и бурый. Клубенек связан с центральным цилиндром корня широким сосудистым пучком. Так же как и у Tribulus cistoides, клубеньки вейника имеют кору, коровую паренхиму, эндодерму, перициклическую паренхиму и сосудистый пучок. Бактерии в клубеньках вейника лесного очень напоминают клубеньковых бактерий бобовых растений. Клубеньки найдены на корнях капусты и редьки - представителей семейства крестоцветных. Предполагается, что их образуют бактерии, которые обладают способностью связывать молекулярный азот.

Среди растений семейства мареновых клубеньки встречаются у кофейных Coffea robusta и Coffea klainii. Они дихотомически ветвятся, иногда уплощены и имеют вид опахала. В тканях клубенька встречаются бактерии и бактероидные клетки. Бактерии, по мнению Стейарта, относятся к Rhizobium, но названы им Bacillus coffeicola.

Клубеньки у растений семейства розанных были обнаружены на дриаде (куропаточьей траве). У двух других представителей этого семейства - Purshia tridentata и Cercocarpus betuloides - описаны типичные коралловидные клубеньки. Однако никаких данных о строении этих клубеньков и природе их возбудителя в литературе нет.

Из семейства вересковых можно упомянуть только одно растение - медвежье ушко (или толокнянка), имеющее клубеньки на корневой системе. Многие авторы считают, что это коралловидные эктотрофные микоризы. У покрытосеменных однодольных растений клубеньки распространены среди представителей семейства злаковых: лисохвоста лугового, мятлика лугового, волоснеца сибирского и волоснеца солончакового. Клубеньки образуются на концах корней; бывают продолговатыми, округлыми, веретеновидными. У лисохвоста молодые клубеньки светлые, прозрачные или полупрозрачные, с возрастом приобретают бурую или черную окраску. Данные о наличии бактерий в клетках клубеньков разноречивы.

Листовые клубеньки. Известно свыше 400 видов различных растений, образующих клубеньки на листьях. Наиболее хорошо изучены клубеньки у Pavetta и Psychotria. Они располагаются на нижней поверхности листьев вдоль основной жилки или рассеяны между боковыми жилками, имеют интенсивный зеленый цвет. В клубеньках сконцентрированы хлоропласты и танин. При старении на клубеньках часто появляются трещины. Сформировавшийся клубенек заполнен бактериями, инфицирующими листья растения, очевидно, в момент прорастания семян. При выращивании стерильных семян клубеньки не возникают и растения развиваются хлоротичными. Выделенные из листовых клубеньков Psychotria bacteriophyla бактерии оказались принадлежащими к роду Klebsiella (К. rubiacearum). Бактерии фиксируют азот не только в симбиозе, но и в чистой культуре -- до 25 мг азота на 1 г использованного сахара. Надо полагать, что они играют немаловажную роль в азотном питании растений на малоплодородных почвах. Есть основания полагать, что они снабжают растения не только азотом, но и биологически активными веществами.

Иногда на поверхности листьев можно увидеть глянцевые пленки или разноцветные пятна. Их образуют микроорганизмы филлосферы - особая разновидность эпифитных микроорганизмов, которые также участвуют в азотном питании растений. Бактерии филлосферы преимущественно олигонитрофилы (живут за счет ничтожных примесей азотсодержащих соединений в среде и, как правило, фиксируют небольшие количества молекулярного азота), тесно контактирующие с растением.