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
Поступление и превращение азота
Азот был открыт в 1772 г шотландским химиком, ботаником и врачом Д. Резерфордом как газ, не поддерживающий дыхание и горение (азот в переводе «нежизненный). Для растений азот – дефицитный элемент. Азот составляет 1,5 % сухой массы растений. Он входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов, алкалоидов, витаминов, фитогормонов. Азот содержится в соединениях группы порфиринов, которые лежат в основе хлорофилла и цитохромов, многочисленных коферментов, в том числе НАД и НАДФ. Растения могут поглощать только минеральный азот и никогда не выделяют азотистые соединения как продукты обмена.
При недостатке азота тормозится рост растений, ослабляется образование боковых побегов и кущение у злаков, наблюдается мелколистность. Одновременно уменьшается ветвление корней. Листья сначала бледнеют, затем в следствии гидролиза белков и разрушения хлорофилла приобретают желтые, оранжевые и красные тона. При длительном голодании наблюдается некроз тканей. Азотное голодание приводит к сокращению вегетационного роста и более раннему созреванию семян.
Особенности усвоения молекулярного азота растениями. Азотофиксирующие микроорганизмы
Азот – один из наиболее широко распространенных элементов в природе. Основными его формами на Земле являются связанный азот литосферы и газообразный молекулярный азот (N2) атмосферы, составляющий 75,6 % воздуха по массе. Однако молекулярный азот не усваивается растениями и может переходить в доступную форму для них только благодаря деятельности микроорганизмов-азотофиксаторов. Организмы, способные к усвоению азота воздуха, можно разделить 3 группы: 1) симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, которые усваивают азот атмосферы, находясь в симбиозе с высшим растением; 2) не симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, свободно живущие в почве и усваивающие азот воздуха; 3) ассоциативные азотфиксаторы — микроорганизмы, обитающие на поверхности корней, т. е. живущие в ассоциации с высшими растениями.
Симбиотические азотфиксаторы. Важное значение имеют бактерии живущие в клубеньках корней бобовых растений (клубеньковые бактерии), относящиеся к роду Rhizobium. Корневые системы бобовых растений обладают специфическими корневыми выделениями. Благодаря этому клубеньковые бактерии скапливаются вокруг корневых волосков, которые при этом скручиваются. Осуществление контакта микроорганизмов с растением происходит за счет лектин-углеводного узнавания растения микроорганизмом. Суть этого в том, что лектин корневых волосков растений прочно связывается с углеводом поверхности бактерий. Бактерии, внедряются в корневой волосок, в виде сплошного тяжа (т. н. инфекционные нити), состоящего из соединенных слизью бесчисленных бактерий, проникают в паренхиму корня. Клетки перицикла начинают усиленно делиться. Возможно, бактерии выделяют гормональные вещества типа ауксина и именно это является причиной разрастания тканей, образуются вздутия — клубеньки. Клетки клубеньков заполняются быстро размножающимися бактериями. Ткань клубеньков, заполненная бактериями, приобретает розовую окраску, так как после заражения в клетках бактерий образуется пигмент, сходный с гемоглобином, — леггемоглобин. Этот пигмент связывает кислород воздуха и предохраняет фермент нитрогеназу от воздействия кислорода. При отсутствии леггемоглобина азот не усваивается. Информация об образовании леггемоглобина содержится в ДНК клетки высшего растения. Синтезируется клетками растения-хозяина и образуется после заражения.
Взаимоотношения между растениями и клубеньковыми бактериями обычно характеризуют как симбиоз. Однако на первых этапах заражения бактерии питаются целиком за счет растения, т. е. практически паразитируют на нем. В этот период рост зараженных растений даже несколько тормозится. В дальнейшем азотфиксирующая способность бактерий увеличивается, и они начинают снабжать азотистыми веществами растение-хозяина, вместе с тем бактерии получают от высшего растения углеводы (симбиоз). По мере дальнейшего развития наступает этап, когда растение паразитирует на клетках бактерий, потребляя все образующиеся там азотистые соединения. В этот период часто наблюдается растворение (лизис) бактериальных клеток.
Источник