Материал: Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

ФотоасимІляція С 02 відбувається у циклі Кальвіна за участю рибулозобісфосфаткарбоксилази, яка знаходиться у карбоксисомах вегета­ тивних клітин і акінетах.

У процесі асиміляції С02 в клітинах можуть синтезуватися запасні продукти, такі як глюкани, ціанофіцини, а також полі-р-гідроксибутират.

Порад із фотосинтезом деякі ціанобактерії можуть споживати орга­ нічні речовини, такі як вуглеводи (О-глюкоза, й-фруктоза, й-рибоза, мальтоза, гліцероп), органічні кислоти, амінокислоти, пурини, піримідини.

Основною формою нітрогенази, що відповідає за азотфіксацію, є фермент, що містить МоРе-кофактор, у деяких видів визначені альтер­ нативні нітрогенази, що містять тільки Рв або Рв і ІУ. Відомо, що актив­ ність нітрогеназ репресується за присутності кисню. Проте виявлені ви­ ди ціанобактерій, які здатні фіксувати азот в аеробних умовах. Для цьо­ го вони мають певні способи захисту від репресуючої д ії кисню. Напри­ клад, багато видів утворюють слизові капсули, в які кисню важко прони­ кнути. Крім того, за великої швидкості дихання і певної локалізації нітро­ генази кисень витрачається на окисні процеси І не встигає надходити до нітрогенази. В гетероцисгах, які мають більш товсту оболонку у порів­ нянні з вегетативними клітинами, відбувається активне дихання; при цьому процес фіксації азоту не пригнічується навіть при високому вмісті кисню в середовищі. Функціонування нітрогенази забезпечується синте­ зом у гетероцистах АТФ і утворенням відновленого фередоксину, ЯКИЙ слугує донором електронів при азотфіксації. Відновлення фередоксину відбувається при окисленні органічних сполук (вуглеводів), які синтезу­ ються з диоксиду вуглецю в процесі фотосинтезу. В той же час у вегета­ тивні клітини надходить фіксований з повітря азот. Нгтрогеназа каталі­ зує не тільки фіксацію азоту, а й утворення молекулярного водню. Про­ те водень, що утворюється, швидко окислюється за участю гідрогенези, тобто відбувається його рециклізація.

Ціанобактерії широко поширені у ґрунтах, прісних і солоних водо­ ймах, зрошувальних каналах. Вони зумовлюють цвітіння води. Ціаноба­ ктерії заселяють верхній шар ґрунту - 0,2-1,0 см, за умов достатнього зволоження вони можуть утворювати суцільну плівку. У великій кількості ціанобактерії розмножуться під культурою рису, який вирощується за технологіями, що включають затоплення ґрунту.

А с о ц іа т и в н і азот ф іксат ори . До асоціативних фіксаторів азоту відносять мікроорганізми, які розвиваються у тісній взаємодії з коренями рослин і заселяють зону коренів (ризосферу), розміщуються безпосередньо на коренях (у ризоплані) і навіть проникають у тканини кореня (у гістосферу). Асоціативні азотфіксатори Інтенсифікують процес

111

біологічного зв’язування азоту лише за умов активної взаємодії з коре­ нями рослин.

До асоціативних азотфіксаторів відносять представників родів

Azospirillum, Agrobacterium, Enterobacter, Pseudomonas. Продуктивність асоціативної азотфіксації за вегетаційний період У зоні помірного кліма­ ту становить 20-30 кг азоту на 1 га. що становить близько 50-60% кіль­ кості фіксованого біологічного азоту.

Дослідження асоціативних азотфіксаторів почали інтенсивно про­ водитись у 1965-1975 роках. Вперше у тропічних регіонах Бразилії була виявлена висока нітроіеназна активність у зоні коренів рослин Paspalum notatum. З поверхні коренів паспалуму Дж. Доберейнер вперше виділи­ ла і описала аеробні спірили з загостреними кінцями, що фіксують молеку­ лярний азот. Вони були віднесені до роду Azospinltum (Abrasiiense, AJipofeгит), пізніше були також виявлені види A.amazonense, A.hafopraeferans, A. frakense, A. largimobile, A. dobereineare.

АзоспІрипи - грамнегативні, віброщні, рухливі {з полярними джгути­ ками) палички, розмірами 1 ,0 -1 ,5 х4 -5 мкм, мають включення - грану­ ли полі-р-онсибутирату. При висушуванні можуть утворювати цисгоподібні клітини. Атмосферний азот у чистій культурі можуть фіксувати за умов низького парціального тиску кисню, оскільки їх нітрогеназний ком­ плекс дуже чутливий до кисню. Азоспірили потребують для свого розви­ тку біотин, можуть утилізувати амонійні форми азоту, засвоювати орга­ нічний азот, а також здатні до денітрифікації. На відміну від інших азот­ фіксуючих бактерій вони слабо використовують цукри і віддають пере­ вагу таким джерелам вуглецевого живлення, як малат, лактат, піруват.

Азоспірили широко розповсюджені у чорноземних, дерново-підзо­ листих ґрунтах, їх можна виділити з поверхні коренів кукурудзи, проса, сорго, ячменю, пшениці. Встановлено, що азоспірили можуть не тільки заселяти поверхню коренів, а й проникати у міжклітинний простір кори, а також у судини кореневої ксилеми. Крім того, вони виявляються на по­ верхні насіння окремих культур.

Розвиток азоспірил значною мірою залежить від кількості фотоасимілятів рослин і їх якісного складу. Так у кореневій зоні рослин Із С4-ти- пом фотосинтезу, у яких первинними продуктами фотосинтезу є органі­ чні кислоти (4-вуглецеві яблучна, щавелева кислоти) переважають азо­ спірили виду A.lipoferum. До рослин Із С4-типом фотосинтезу належать кукурудза і більшість злаків. У рослин Сз-типу фотосинтезу (пшениця, ячмінь, жито, рис) засвоєння вуглецю відбувається за циклом Кальвіна. У кореневій зоні цих рослин переважає A.brasilense, Проте і серед рос­ лин С3-типу фотосинтезу колонізація бактерією A.brasitense відбуваєть­ ся по-різному, тому на даному етапі вивчення асоціативних азотфіксую­

112

чих асоціацій не варто специфічність пояснювати лише типом вуглеце­ вого обміну, потрібно вивчати інші аспекти обміну біохімічними сигна­ лами між рослинами і бактеріями.

Азосліркпи також синтезують біологічно активні рістстимулюючі ре­ човини. Рослина, в свою чергу, контролює формування асоціативного азотфіксуючого комплексу. Ця здатність отримала назву лю-ознаки. Ви­ явлено, що сорти і гібридні лінії злакових культур істотно різняться за цією ознакою. Тобто при виведенні нових сортів слід проводити відбір і за здатністю рослин утворювати асоціації з бактеріями, які характери­ зуються високою нітрогеназною активністю. Найбільш активні культури азослірил стали основою бактеріальних добрив під набобові рослини (див. розділ 10.1).

із ризоплани сільськогосподарських культур часто виділяються представники родини Рзвисіатопасіас&ав, серед яких виявлені культу­ ри, що мають нітрогеназну активність, наприклад Р- гЛагоігорМсиа. Це невеликі грамнегативні палички, поодинокі, рухомі завдяки полярним джгутикам, аероби або факультативні анаероби, хемоорганогетеротрофи. У асоціативних псевдомонад активність фіксації молекулярного азоту нижча порівняно з азоспірилами. Багато видів псевдомонад мо­ жуть продукувати р-індолілоцтову кислоту, яка має фітогормональні властивості. Азотфіксуючі псевдомонади виділені із кореневої зони ози­ мого жита, ячменю, рису. Інтродукція чистих культур цих бактерій у ко­ реневу зону рослин показала, що вони здатні утворювати на коренях активні азотфіксуючі асоціації.

У кореневій зоні тонконога лучного, рису, озимої пшениці виявлені азотфіксуючі види бактерій роду К/ебз/е/їа (К.рпеитопіав). Встановлені тісні асоціативні взаємовідносини між цими бактеріями і рослинами. Інтродукія їх у кореневу зону збільшувала надходження азоту до рослин на 30% І більше. Деякі представники клебсіал можуть існувати ендофітно, наприклад К. охуіоса.

У тісні взаємовідносини з рослинами можуть вступати також інші азотфіксуючі мікроорганізми, які населяють ризосферу рослин: ВасіІІиз (В.$иЬ(і№в, В.ра1утуха), С Ь в Ш й /т, ВеЦегіпскіа. Крім того, виявлені азо- тфіксатори-екдофіти: АсеГобасГег сІіагоІгорМсиз, НвгЬазрШит ае/одегїасеа, Н. гиЬгізиЬаІЬісапв.

Зону коренів рослин населяють представники різних таксономічних груп асоціативних азотфіксуючих бактерій. Так із ризосфери озимої пшениці виділяють представників родів ВасіІІиз, ЕгНвгоЬас(вг, Агоярігіііит, СІозігісііит, АдгоЬасіегіит, белаіїа, АсЬготоЬасіег, АгсЛоЬасАвг, Веі/егіпскіа, К/еЬзіеЯа, НегЬазрігіїіит. Це дає підставу говорити про бага­

113

токомпонентне азотфіксуюче угруповання, яке складається з декількох вадів бактерій.

У дослідах В.В. Болкогона було показано, що гістосферу злакових культур колонізують найбільш активні діазотрофи, які формують проду­ ктивні асоціації з рослиною. Так, у тканинах кореня райграса активно розмножується Azaspirilum lipofemm і Agrobacterium radrobacter, оесяниці - Bacillus polymyxa, тимофіївки - B.subtilis і Enierobacfer aerogenes. Це свідчить на користь того, що певні види бактерій можуть відігравати ви­ значальну роль у формуванні асоціативних азофіксуючих асоціацій у кореневій зоні окремих рослин.

Слід зазначити, що роль асоціативних азотфіксаторів не вичерпу­ ється покращанням азотного живлення рослин. У багатьох вадів азотфі­ ксуючих бактерій виявлена здатність продукувати біологічно активні сполуки, які активують ріст рослин, а також сприяють збільшенню роз­ галуження корінців і їх активної поверхні, завдяки чому зростає здат­ ність до надходження поживних речовин з ґрунту.

Важливим аспектом взаємодії асоціативних азотфіксаторів і рослин є зменшення ступеня ураження інокульованих рослин фітопатогенами. Так, виявлена фунгісгатична активність азоспірил, азотобактера та лсевдомонад по відношенню до деяких фітолатогенних грибів. Факторами пригнічення росту фітолатогенних фибів можуть бути перевага азотфікса­ торів у більш ранньому заселенні коренів рослин, конкуренція за окремі елементи, наприклад залізо внаслідок синтезу залізозв’язуючих сидерофорів та ін.

Обробка насіння і коренів рослин культурами асоціативних азотфік­ саторів підвищує урожай сільськогосподарських культур, тому їх вико­ ристовують як основу бактеріальних добрив (див. розділ 10.1).

Б о б о в о -р и зо б іа л ь н и й с и м б іо з. Симбіоз, який утворюється між бобовими рослинами і бульбочковими бактеріями (ризобія ми), на­ зивається бобово-ризобіальним. Кількісні досліди, які підтверджували

зв’язувати азот та присутністю бульбочок на їх коренях вперше виявили Г. Гельригель та Г. ВІльфарт (1886-1888 рр.). Мікроскопічні тільця, що містяться всередині бульбочок вільхи і люпину, вперше описав М. Воро­ ній (1886). Чисту культуру бульбочкових бактерій вперше виділив М. Єейєрінк (1888) і показав, що ці мікроорганізми здатні утворювати на коренях бобових бульбочки, в яких відбувається фіксація азоту. Виділе­ ні з бульбочок бактерії він назвав Bacillus raditiola, тобто коренева бацила.

За сучасною класифікацією бульбочкові бактерії відносяться до ро­ дини Rhizobiaceae, до складу якої входить п’ять родів (таблиця 7.4).

114

Бульбочкові бактерії поділяють на дві групи: ті, що ростуть повільно

(ВгайугіїігоЬіит) і ті, що ростуть швидко (АгогЬігоЬіит, МезогіїігоЬіит, ИМгоЬіит, ЗіпогіїігоЬіит).

За морфологічними ознаками - це грамнегативні невеликих розмі­ рів (0,5-1,9x1,2-3 мкм), рухомі палички, з віком втрачають рухомість, накопичують жирові включення, внаслідок чого спостерігається їх нерів­ номірне фарбування. При старінні як на поживних середовищах, так і в бульбочках бактерії утворюють потовщені, гіллясті або грушоподібні утворення, які за розмірами значно перевищують молоді палички. Буль­ бочкові бактерії мають складний цикл розвитку: у молодому віці палички поодинокі, рухомі, в коренях бобових рослин утворюють бульбочки, при цьому змінюють морфологію і перетворюються у бактероїди. Оптимум температури для розвитку бульбочкових бактерій становить 24-26"С, оптимум рН 6,5-7,5. Бульбочкові бактерії є аеробами, хемоорганогетеротрофами, як джерела вуглецю використовують органічні кислоти, вуг­ леводи, полісахариди, багатоатомні спирти. За умов сапротрофного Існування джерелами азоту для них слугують солі амонію, нітрати, амі­ нокислоти, пуринові І піримідинові основи.

Бульбочкові бактерії родини ЯЬІгоЬіасеае є факультативними сим­ біонтами і можуть існувати у ґрунті як сапрофітні хемоорганогетеротрофні мікроорганізми. Ризобії складають незначну частину мікробного угруповання ґрунту: близько 0,1-8% від Його загальної чисельності. Ри­ зобії потрапляють у ґрунт різними шляхами: у складі комерційних пре­ паратів, якими обробляють насіння, у складі епіфітної мікрофлори на­ сіння, повітряним шляхом, разом із ґрунтообробною технікою. Здатність

115