Азотфиксация
Азотфиксация, или микробиологическая фиксация атмосферного азота — процесс поглощения микроорганизмами почвы азота атмосферы и трансформация его в органические и минеральные вещества.
Навигация
Изучением азотфиксации занимались Ж. Буссенго, М. Бейерник, Г. Гельригель, Г. Вильфорт, М.С. Воронин, С.Н. Виноградский, В.Л. Омелянский, Д.Н. Прянишников, Д.И. Менделеев, К.А. Тимирязев.
«Немного найдется явлений, где бы так ясно определилась взаимная роль теории и практики, как в тех исследованиях, в которых научные вопросы о происхождении азота у растений неразрывно сливались с чисто практическими вопросами о пользе возделывания клевера и вообще бобовых».
К.А. Тимирязев, 1890 г.
Отечественная сельскохозяйственная наука уделяла большое внимание изучению явления азотфиксации: создана коллекция наиболее эффективных штаммов микроорганизмов, с конца 50-х годов ведутся генетические и генетико-селекционные исследования, которые впервые в отечественной литературе освещены в монографии «Генетика симбиотической азотфиксации с основами селекции» под редакцией И.А. Тихоновича и Н.А. Проворова в 1998 г.
Хотя существуют и другие способы превращения атмосферного азота в нитрат, например, во время грозовых бурь, процесс, при котором растения способны фиксировать азот, называется биологической фиксацией азота (англ. biological nitrogen fixation, BNF). Подробности механизма BNF были описаны Говардом и Рисом (1996) и многими другими.
Значение азотфиксации
На долю азота в атмосферном воздухе приходится 78,09%. Над 1 гектаром суши или водной поверхности Земли содержится около 80 тыс. т азота, который недоступен большинству высших растений.
Атомы азота в молекуле N2 соединены очень прочной тройной связью N≡N, поэтому разрыв этой связи сопряжен с большими затратами энергии. В промышленности этот процесс (процесс Хабера-Боша) с образованием аммиака происходит при высоких температурах и давлении, что связано с высокими затратами энергии. тогда как в биологических системах — при нормальном атмосферном давлении и температуре.
Азот является основным элементом в питании сельскохозяйственных культур, и в отсутствие азота рост культур сильно страдает в результате общего хлороза и снижения фотосинтетической способности. В большинстве сельскохозяйственных систем азот (N) вносится в легкодоступной форме, либо в виде нитрата в химическом удобрении, либо в виде навоза или компоста, где в результате микробного распада могут высвобождаться растворимые формы нитрата, которые затем поглощаются растущей культурой. В крупномасштабном коммерческом сельском хозяйстве большая часть азота вносится в виде удобрений, произведенных химическим способом или из невозобновляемых минеральных источников. Дополнительная проблема возникает при использовании внесенных удобрений, когда избыток химикатов вымывается из почвы в результате дождей или орошения и попадает в водотоки и водосборные бассейны.
В естественных условиях, когда в почве низкий уровень минерального азота, бобовые растения особенно успешны благодаря своей способности фиксировать атмосферный азот в форме, которую они могут использовать для нормального роста. Ряд других растений, обладающих этой особенностью, например, виды Gunnera, Alnus, Casuarina и Mirica, имеют симбиотические отношения с почвообитающими организмами, которые колонизируют их корни. Симбиоз растений и полезных организмов, как показывают ископаемые данные, было одним из основных факторов успеха распространения растений. Хотя гены, необходимые для сигнализации о начале колонизации корней, были охарактеризованы, происхождение этих генов остается невыясненным (Delaux et al., 2015).
В зависимости от источников энергии азотфиксирующие микроорганизмы относят к: автотрофам и гетеротрофам.
По оценкам, суммарный объем азотфиксации в год в наземных экосистемах составляет 175-190 млн т азота, 90-110 млн т из которых приходятся на почвы сельскохозяйственных угодий (Мишустин, 1983). При этом ежегодный вынос азота из почвы с сельскохозяйственной продукцией составляет 110 млн т. По другим оценкам, в мире ежегодно 50-140 млн тонн азота фиксируется за счет азотфиксации (Unkovich et al., 2008). Недавно Баддели и др. (2013) подсчитали, что в 2009 году в ЕС было зафиксировано около 0,8 млн тонн азота.
Бобовые имеют специфические отношения с почвенными бактериями рода Rhizobium, при которых бактерии проникают в корни, что приводит к процессу преобразования атмосферного азота в растворимый. Способность к симбиозу с Rhizobium является одной из основных причин, по которой бобовые характеризуются как «растения-пионеры», поскольку они обычно колонизируют почвы с низким содержанием азота и часто в голых и открытых средах (Cloutier et al., 1996). Культуры, обладающие такой способностью формировать симбиотические отношения, являются одним из основных источников азота в сельскохозяйственных системах с ограниченными ресурсами. Поэтому бобовые являются очень экономически важными культурами.
После уборки урожая, когда большая часть фиксированного азота в виде белка удаляется с поля, остается остаточный уровень азота в ботве, корневой системе и узлах. Там, где корни остаются разлагаться в почве, нитрат высвобождается медленно и доступен для поглощения следующей культурой. Эти уровни могут значительно варьироваться, но признано, что они составляют около 20-50 кг N/га (Sylvester-Bradley and Cross, 1991), что подтверждается Ward and Palmer (2013). Для кормовых бобов оценки, сделанные в Великобритании, предполагают фиксацию 60-100 кг N/га в остатках стеблей и корней после уборки (Iannetta et al., 2015).
Этот источник азота является экономически ценным в системе земледелия, так как он обеспечивает источник азота сразу же для следующей культуры. Поскольку фиксированный азот высвобождается в почве относительно медленно, риск вымывания во влажные периоды меньше, чем при внесении удобрений, но, что не менее важно, остаточный азот, доступный для следующей культуры, снижает потребность в нем примерно на 50 кг/га. Кроме того, включение бобовой культуры в севооборот обеспечивает «перерыв» в системе, основанной преимущественно на зерновых, уменьшая накопление патогенов зерновых, таких как клещ (Gaeumannomyces graminis), и предоставляя возможность борьбы с многолетними сорняками и травами, такими как черная трава (Alopecurus myosuroides), которая выработала устойчивость к обычно используемым граминицидам. В ЕС было подсчитано, что урожайность озимой пшеницы сразу после бобовой культуры увеличивается на 0,6 и 0,9 т/га (Von Richtofen, 2006), и подобная реакция была отмечена в Канаде (Wright, 1990). В некоторых исследованиях с кормовыми бобами (V. faba) ее включение в севооборот повышает разнообразие дикой флоры и фауны, а также почвенной микрофлоры (Kopke and Nemecek, 2010). Таким образом, существуют убедительные доказательства в пользу полевого севооборота, поддерживаемого включением бобовой культуры (Iannetta et al., 2013).
Источник
Симбиотические азотфиксаторы
Азотфиксирующие микроорганизмы, которые живут в симбиозе с корнями бобовых растений и образуют на их корнях клубеньки, называют клубеньковыми бактериями.
Растение обеспечивает бактерии необходимыми питательными веществами и создает для них оптимальные условия существования. Бактерии же, находясь в клубеньках, снабжают растение азотистым питанием. Ни растение, ни бактерии сами по себе не могут фиксировать азот.
Клубеньковые бактерии относятся к роду Rhizobium . Форма и величина клубеньковых бактерий изменяется в зависимости от стадии их развития. В молодой культуре они представлены короткими подвижными палочками, со временем они утрачивают подвижность и переходят в стадию так называемых опоясанных палочек. При окраске анилиновыми красителями ярко окрашенные участки цитоплазмы чередуются со светлыми полями, в которых концентрируются жировые включения, не воспринимающие окраску. При старении культуры опоясанные палочки переходят в стадию бактероидов, клетки ветвятся принимая причудливую форму кораллов. Стадии опоясанных палочек и бактероидов обычно совпадают с фазой бутонизации и цветения бобовых растений и характеризуются максимальной интенсивностью фиксации азота.
Бактерии рода Rhizobium в симбиозе с бобовыми культурами способны фиксировать свободный азот атмосферы, превращая его в соединения, легкоусвояемые растением. Эти бактерии являются строгими аэробами. Среди бактерий рода Rhizobium различают активные, малоактивные и неактивные культуры. Критерий активности клубеньковых бактерий связан с их способностью в симбиозе с бобовым растением фиксировать атмосферный азот и использовать его в виде соединений для корневого питания растения.
Фиксация атмосферного азота возможна только в образующихся в корневой системе растения клубеньках. Их возникновение связано с инфицированием корневой системы бобового растения бактериями из рода Rhizobium. Заражение корневой системы происходит только через молодые корневые волоски: после внедрения бактерии прорастают внутри них до самого основания в виде инфекционной нити. Выросшие нити проникают сквозь стенки эпидермиса в кору корня, разветвляются и распределяются по клеткам коры. При этом индуцируется деление клеток хозяина и разрастание тканей. В месте локализации бактерий на корне растения-хозяина образуются клубеньки, в которых они быстро размножаются и располагаются по отдельности или группами в цитоплазме растительных клеток. Сами бактериальные клетки увеличиваются в объеме в 10-12 раз и меняют свою форму. Если такие клубеньки имеют красноватую или розоватую окраску, обусловленную наличием пигмента легоглобина (легглобина)- аналога гемоглобина крови животных, то они способны фиксировать молекулярный азот. Неокрашенные («пустые») или имеющие зеленоватую окраску клубеньки не фиксируют азот.
Бактерии, находящиеся в клубеньках, синтезируют ферментную систему с нитрогеназной активностью, восстанавливающую молекулярный азот до аммиака. Ассимиляция аммиака происходит, в основном, путем вовлечения его в ряд ферментативных превращений, приводящих к образованию глутамина и глутаминовой кислоты, которые в дальнейшем удут на биосинтез белка.
Клубеньковые бактерии обладают избирательной способностью вступать в симбиотические взаимоотношения с различными бобовыми растениями. На основании специфичности симбиоза все клубеньковые бактерии делят на виды: бактерии гороха, вики, чины – Rhizobium leguminosarum донника и люцерны — Rh. meliloti; клевера — Rh.trifolii; фасоли — Rh.phaseoli; люпина — Rh. lupini; сои — Rh. japonicum и др.
Клубеньковые бактерии отдельных видов имеют некоторые разнообразия морфологических форм. Так, Rh.trifolii толстые и короткие (до 2 мкм), покрытые слизью палочки; Rh. Leguminosarum длина палочек достигает 3,5-4 мкм; Rh.lupini сильно изогнутые, крупные покрытые слизью палочки.
Неодинаковые у бобовых растений и формы и размеры клубеньков, а также расположение их на корнях. У одних бобовых растений (горох, клевер, вика) клубеньки образуются в виде небольших вздутий на различных разветвлениях корней; у других (люпина) они имеют вид крупных бородавчатых наростов на главном корне.
Клубеньковые бактерии имеют очень большое сельскохозяйственное значение, так как, усваивая азот из воздуха, они способствуют повышению урожайности сельскохозяйственных и особенно бобовых культур.
1. Рассмотреть и зарисовать корень люпина с клубеньками.
2. Сделать срез с клубенька и рассмотреть под бинокулярной лупой. Зарисовать: кору клубенька и бактероидную ткань.
3. Приготовить фиксированный препарат клубеньковых бактерий.
3. Рассмотреть электронную микрофотографию клеток клубенька, в которых находятся овальные азотфиксирующие бактерии Rizobium japonicum.
Источник