Симбиоз бобовых растений и клубеньковых бактерий
В $1888$ г М. Бейеринком из корневых клубеньков бобовых растений были выделены азотфиксирующие симбиотические микроорганизмы, названные клубеньковыми бактериями. Эти бактерии способствуют образованию клубеньков, в которых происходит фиксация атмосферного азота.
Бактерии питаются в клубеньках органическими соединениями, а растение, в свою очередь, получает связанные соединения азота. Так между растением и бактериями обозначаются симбиотические взаимоотношения.
Клубеньковые бактерии, поражающие корни различных бобовых растений, немного отличаются, но их рассматривают как родственные организмы.
Для клубеньковых бактерий является характерным:
- это грамотрицательные бактерии;
- они подвижные;
- имеют монотрихи или перитрихи;
- размер палочки колеблется от коротких до средних (0,5-0,9 мкм шириной и 1-3 мкм длиной);
- являются аэробами;
- не спорообразующие организмы.
Клубеньковые бактерии потребляют разные углеводы, полисахариды (гликоген, декстрин), многоатомные спирты, органические кислоты, фосфор, кальций, калий, соединения железа и др. При усвоении углеводов некоторые виды способны образовывать кислоты. Микроорганизмы могут сами синтезировать некоторые витамины (рибофлавин, тиамин, цианокобаламин), ростовые вещества (цитокинины, гиббереллины, гетероауксин).
Видовая специфичность клубеньковых бактерий
Клубеньковые бактерии могут формировать симбиотические ассоциации с растениями семейства Leguminosae.
Для клубеньковых бактерий характерна видовая специфичность по отношению к растениям-хозяевам. Конкретный вид бактерий способен образовывать клубеньки на одном или нескольких видах бобовых растений.
Rhizobium phaseoli инфицирует фасоль, Rhizobium leguminosarum заражает вику, горох, чечевицу и кормовые бобы, Bradyrhizobium lupine – люпин, а Bradyrhizobium – маш, вигну, арахис и т.д.
В настоящее время вопрос специфичности клубеньковых бактерий изучен недостаточно полно. Считается, что взаимодействие бактерий с корневой системой растения начинается с привлечения клеток микроорганизмов корневыми выделениями. Быстрее заражать растение будут подвижные бактерии, для которых характерен хемотаксис.
Заражение растения обычно происходит через молодые корневые волоски. Бобовые растения содержат белки или гликопротеины – лектины, способные к специфическому связыванию полисахаридов, выполняющие функцию распознавания.
При взаимодействии поверхностных полисахаридов бактерий с лектинами корней бобового растения определяется, возможно ли инфицирование корневого волоска данным видом клубеньковых бактерий.
Взаимодействие бактерий с растением-хозяином
Проникновение в корневые волоски бобового растения клубеньковых бактерий может происходить несколькими путями: через верхушку корневого волоска, около его конца, через «расщелины», расположенные в основаниях боковых ответвлений корня.
Об инфицировании растения можно судить по своеобразным изменениям формы корневых волосков, способных изгибаться в виде формы ручки зонтика.
При этом степень искривления корневого волоска определяется:
- видом бобового растения;
- местом проникновения;
- активностью штамма клубеньковых бактерий.
В месте проникновения бактерий в результате действия их гидролитических ферментов происходит разрыхление клеточной стенки волоска. Бактерии образуют инфекционную нить, представляющую собой гифообразную слизистую массу. Нить движется по направлению к клеткам эпидермиса и основанию волоска и, далее, через клетки коры – в паренхиму.
После внедрение в клетки растений инфекционная нить покрывается целлюлозной оболочкой. Бактерии способны размножаться только в тетраплоидных клетках коры и иногда в клетках эпидермиса корня.
Инфицированная клетка и соседние незараженные клетки интенсивно делятся, что приводит к образованию клубенька.
Источник
V. Симбиотические связи бактерий с бобовыми.
Симбиотические связи бактерий с бобовыми благодаря широкому использованию их в полевом растениеводстве, луговодстве и, частично, в лесоводстве, изучались весьма интенсивно. Установлено, что не все виды бобовых имеют на корнях клубеньки. При обобщении имеющихся данных, оказалось, что из 1285 изученных бобовых (в широком понимании этой группы) клубеньки отсутствовали у 166 (13,0%), в том числе у 77,4% изученных цезальпиновых, у 13% мимозовых и 7% — мотыльковых (Fabaceae) (E. Allen, O. Allen, 1961).
Отсутствие клубеньков на корнях не всегда означает неспособность данного вида бобовых к симбиозу с клубеньковыми бактериями, иногда это происходит из-за местных условий, неблагоприятных для образований клубеньков, или по тому, что в почве нет соответствующих рас клубеньковых бактерий. В то же время наличие клубеньков на корнях бобовых не всегда указывает на активную фиксацию азота клубеньковыми бактериями. Установлено, что многочисленные мелкие белые клубеньки на боковых корнях травянистых бобовых образованы малоэффективной расой клубеньковых бактерий, неспособной связывать атмосферный азот или фиксирующий его в незначительном количестве, в то время как крупные, окрашенные в розовый цвет клубеньки на стержневом корне обычно характеризуют энергично идущий процесс усвоения азота.
А процесс естественного отбора и сопряженной эволюции возникло много рас клубеньковых бактерий, способных выступать в эффективные симбиотические отношения с определенными видами бобовых. Значение отдельных рас клубеньковых бактерий давно было выяснено для возделываемых видов бобовых, и, в связи с необходимостью в ряде случаев вносить бактериальное удобрение (нитраты), содержащие соответствующие клубеньковые бактерии, они были разделены на ряд групп в соответствии с пригодностью для определенных видов бобовых. Принято выделять следующие расы клубеньковых бактерий по их способности к эффективному симбиозу со следующими определенными видами или группами видов бобовых:
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