Материал: Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

виживати у ґрунті у вільноіснуючому стані характеризує їх “сапрофітну компетентність".

Взаємовідносини між бобовою рослиною і бактеріями, які сформу­ вали бульбочки на її коренях, є взаємовигідними і можуть бути віднесені до симбіотичних по типу позитивного мутуалізму. Бактерії забезпечують рослину зв'язаними формами азоту, у рослинних тканинах бульбочкові бактерії уникають конкуренції Інших представників угруповання, вони захищені деякою мірою від несприятливих факторів навколишнього се­ редовища (нестача вологи, коливання рН тощо). Рослини забезпечують бактерії енергетичними сполуками у вигляді продуктів фотосинтезу, які необхідні ризобіям для фіксації азоту, а також захищають нітрогенази бульбочкових бактерій від кисню. Раніше для рослин, які вступали у си­ мбіотичні відносини з бульбочковими бактеріями, використовували тер­ мін “рослина-хазяїн", останнім часом зважаючи на функції, які вони ви­ конують, більш прийнятним є термін “рослина-живитель".

Взаємодія рослин і ризобій специфічна, тобто симбіоз утворюється тільки з бобовими рослинами родини РаЬасеае за винятком небобоеої рослини родини иітасеае роду Рагаврол/а, з якою ризобії також утво­ рюють бульбочки. Специфічність проявляється у тому, що певні види бактерій вступають у симбіоз лише з вузьким колом рослин-живителів і не можуть взаємодіяти з Іншими рослинами (таблиця 7.5).

Таблиця 7.5

Розподіл бульбочкових бактерій за їх здатністю утворювати симбіоз Із бобовими рослинами

116

Видова специфічність іноді може бути порушена перехресним за­ раженням. коли інфікуються неспецифічні види рослин, проте активність симбіозу у перехресно інфікованих рослин е незначною. Наприклад, бульбочкові бактерії люцерни можуть утворювати бульбочки на росли­ нах буркуну, але їхня активність на люцерні е вищою, існує також сорто­ ва специфічність, найбільш яскравим прикладом якої є нездатність єв­ ропейського штаму R.leguminosarum biovar viceae утворювати симбіоз із горохом сорту Афганістан, у той час як афганський штам ТОМ утворює з горохом цього сорту активний симбіоз.

Ф орм ування б о б о в о -р и зо б іа л ь н о го с и м б іо зу - багато­ стадійний процес, що складається з передінфекційних взаємодій (1), проникнення бактерій у тканини кореня (2), формування (морфогенезу) бульбочок (3), функціонування симбіотичного апарату, фіксації азоту у бульбочках (4), відмирання і розкладу бульбочок (5).

1. ПвРвдінФекиійні взаємодії полягають у взаємному обміні сигна­ льними молекулами, внаслідок чого бактерії переходять із вільноіснуючого до симбіотичного стану. Процес проникнення ризобій у клітину на­ зивається модуляцією, а здатність бактерій входити у контакт із кореня­ ми рослин, проникати в них і викликати утворення бульбочок називаєть­ ся вірулентністю. Для гаго щоб проникнути у тканину кореня, бактерії повинні мати переваги перед іншими бульбочковими бактеріями, а та­ кож виживати у сапрофітному стані, конкуруючи з аборигенною мікробіотою, тобто вони повинні бути конкурентоздатними.

У передінфекційній стадії важливим є рух бульбочкових бактерій до кореневих волосків. Значною мірою він зумовлений речовинами, які міс­ тяться в оболонках насіння бобових рослин. З іншого боку, ці речовини повинні приваблювати ризобії та стимулювати їх розвиток у передінфекційний період. Встановлено, що бульбочкові бактерії мають позитивний хемотаксис до таких органічних речовин, як амінокислоти, вуглеводи, органічні кислоти, що знаходяться у насінні та кореневих виділеннях бобових рослин. Виявлений зв'язок між хемотаксисною активністю І конкурентоздатністю бульбочкових бактерій. З другого боку, рослина пови­ нна контролювати розвиток бактерій і забезпечувати захист від надмір­ ного розмноження ризобій, а також фітопатогенів. Тому ексудати рослин містять речовини, які пригнічують розвиток бульбочкових бактерій. За хімічною будовою це різноманітні сполуки: антибіотики, глікозиди на ос­ нові таніну, а також похідні фенолів. Наявність цих речовин значною мірою зумовлює видову і сортову чутливість рослин до бактеризації. Збалансованість екстрактивних речовин позитивної і негативної д ії на ризобії значною мірою сприяє комплементарносгі мікро- і макросимбіонтів.

117

Прикріплення клітин ризобій до кореневого волоска відбувається у дві фази. Зовнішні шари клітинної оболонки бульбочкових бактерій сформовані екзополісахаридами (ЕПС). Саме ці біололімери контакту­ ють із компонентами клітин кореневих волосків. Первинне прикріплення ризобій до кореневих волосків відбувається завдяки взаємодії ЕПС ри­ зобій із рецепторами пектинів рослини. Таким чином забезпечується перша фаза спзбослецифічного зв’язування клітини з поверхнею коре­ ня. У подальшому розпізнавання партнерів відбувається завдяки взає­ модії детермінантних груп ліпополісахаридів (ГІПС) клітинної стінки ри­ зобій з активним центром пектину рослини. Ступінь спорідненості ліпо­ полісахаридів різних штамів бульбочкових бактерій до пектину рослиниживителя зумовлює специфічність взаємодії партнерів і визначається вмістом функціональних вуглеводів в О-ланцюжках ЛПС. За присутності пектину значно зростає питома швидкість росту і накопичення біомаси ризобій. Пектини, одержані з насіння високочутливих до Інокуляції сор­ тів, здатні стимулювати ріст ризобій. Крім того, під впливом ЛПС ризобій у коренях рослин активізується синтез факторів росту та ділення клітин, внаслідок чого у базальній частині кореня утворюються бульбочкоподібні розростання, навіть за відсутності ризобій. Рослинні пектини можуть бути рецепторами ІМо<1-факгора.

Конкурентоздатність бульбочкових бактерій зумовлена також їх ан­ тибіотичними властивостями по відношенню до інших штамів того само­ го виду. Виявлений ібс-ген, який кодує синтез бактеріоцину “трифоліотоксину”, що дозволяє штаму конкурувати з іншими штамами.

Після прикріплення у бактерій спостерігається реакція на рослинні флавоноїди, що містяться у насінні і коренях рослин. Флавоноїди взає­ модіють з бактеріальним білком ІЧосЮ, який зв’язаний із внутрішньою мембраною ризобіальної клітини. При взаємодії з флавоноїдами білок ИосЮ змінює свою конформацію, в результаті чого він може активувати транскрипцію генів нодуляції - посі-генів, ЩО контролюють синтез N0(1- факторів, які за хімічною будовою є ліпо-хіто-олігосахаридами, що скла­ даються із 3 -6 залишків ІМ-ацетилглюнозаміну і радикалу ненасиченої жирної кислоти (С1в-С 2о)- Ліпо-хіто-олігосахариди ініціюють ранні стадії розвитку бульбочок. У ризобій виявлено більш як 50 лосГ-генів, із яких частина є “загальними* для усіх ризобій, а інші - специфічні для певного виду і навіть штаму.

2. Проникнення ризобій відбувається через кореневі волоски. ІЧойфактори у концентраціях Ю ^-Ю '’ 2 М викликають деполяризацію клітин­ ної мембрани кореневого волоска і модуляцію іонних потоків у клітинах епідермісу, внаслідок чого кореневий волосок скручується.

116

У місці прикріплення бактерії спостерігається пом’якшення клітинної стінки. У цьому процесі можлива участь пектинолітичних ферментів - полігалактуронази і протопективази. Ці ферменти можуть синтезуватися як самими рослинами, так і ризобіями. У бульбочкових бактерій виявле­ ні полігалактуронази і протопектинази широкої субстратної специфічно­ сті. Не виключена також можливість утворення ензим-лектинових ком­ плексів. Пектиполітична активність бульбочкових бактерій значно зростає при контакті з насінням та проростками бобових, що свідчить про інду­ куючу роль рослин у синтезі пектинолітичних ферментів бульбочковими бактеріями. Встановлено позитивний кореляційний зв'язок між пекгиназною активністю І нодулюючою здатністю ризобій.

3. Формування симбіотичного апарату - бульбочки. У закручено му кореневому волоску ризобії утворюють так звану інфекційну нитку - слизовий тяж, у якому містяться клітини бульбочкових бактерій, що ак­ тивно розмножуються. ‘’Загальні” nod-гени контролюють процес скручу­ вання волосків, а специфічні nod-гени - більш пізню стадію формування інфекційної нитки. Специфічність Nod-факторів зумовлена особливос­ тями їх біохімічної будови. Так, сульфатування на редукуючому кінці глюкозаміну характерно для ризобій люцерни, а відсутність сульфатної групи - для ризобій вики. Nod-факгори виділяються бактеріями у сере­ довище, і їхня дія може бути вивчена in vitro.

Важливим етапом симбіозу є формування азотфіксуючого органубульбочок. Інфікування ризобіями відбувається через кореневі волоски, які при цьому скручуються. Відомо, що бульбочкові бактерії* синтезують рістстимулюючі речовини (наприклад, індол-3-оцтову кислоту), під дією яких кореневий волосок закручується.

У місці найбільшого згину волоска відбувається гідроліз клітинної стінки та інвагінація плазмалеми разом із мембранними структурами рослинної клітини - апаратом Гольджі, ендоплазматичним ретикулюмом. Як результат відбувається ^захоплення” ризобій, і навколо клітин утворюється своєрідний тунель - інфекційна нитка, заповнена полісахаридним матриксом, у якому містяться бактеріальні клітини. Інфекційна нитка знаходиться у міжклітинному просторі і за 2 -3 доби досягає осно­ ви кореневого волоска.

Одночасно з цими подіями відбуваєтться закладення бульбочкової меристеми внаслідок мітотичної реактивації, диференціації і проліфе­ рації клітин кортекса. Ця стадія називається Ced (від англ. Cortical cell division). Далі починаються процеси гістогенезу, диференціації тканин бульбочки, стадія Ntd (від англ. Nodule tissue differentiation). У кінці цієї стадії вже сформовані покривна, провідна й азотфіксуюча тканини буль­ бочки. В цей час інфекційна нитка дістається до основи кореневого во­

119

лоска. проникає в кортекс, а потім у бульбочку. В наступній заключній стадії Ваг (від англ. Bacterial release) відбувається перехід ризобій із ін­ фекційної нитки в рослинну клітину. У місці випинання інфекційної нитки утворюються тимчасові структури - інфекційні краплини, від яких відді­ ляються мембранні кульки, що містять бактерії. Таким чином ризобії всередині рослинної клітини оточені перибактеро'ідними мембранами за участю тілець апарату Гольджі та ендоплазматичного ретикулума. Цей комплекс носить назву симбіосома І є основною субклітинною одиницею симбіозу.

Після утворення симбіосом ризобії з паличковидної форми перехо­ дять у стадію бактероїдів, які у 3-5 разів більші від паличок і мають різ­ номанітну форму - шароподібні, грушоподібні, у формі У та X. Ця стадія називається Bad (від англ. Bacteroid differentiation). У цей період відмі­ чається репресія генів, відповідальних за автономний ріст. У бактерої­

дах активується синтез нітрогенази, яка каталізує відновлення N2 д о NH4, а також ферментів, які обслуговують нітрогеназну реак­ цію. Після цього починається фі­

активне ділення і диференціація рослинних клітин, у результаті чого тканина кореня розроста­ ється і утворюється здуття - бу­ льбочка. Основними одиницями сформованої бульбочки є інфіко­ вана ризобіями тканина, провідні

120