Материал: Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

Розрізняють два типи бульбочок. До нвдвтврмінованого типу на­ лежать бульбочки, які містять постійну меристему, що визначає їхню циліндричну форму. Бульбочки детермінованого типу не мають постій­ ної меристеми і зберігають сферичну форму. Бульбочки обох видів мають шар, не інфікований бактеріями, який оточує інфіковані рослинні клітини.

Генетичний аналіз бобових рослин показав, що Існує більш як 100 генів, які контролюють симбіоз. Шляхом отримання і аналізу мутантів із дефектами розвитку симбіозу було встановлено, що мутантні алелі, яга контролюють нездатність рослин до утворення бульбочок, у більшості випадків є рецесивними. Апелі, що контролюють нездатність до азотфі­ ксації можуть бути як рецесивними (горох, конюшина, люцерна), так і домінантними (соя).

Гени бобових контролюють синтез білків та РНК, які беруть участь у симбіозі. Існують дві групи генів:

а) Nst-гени відповідальні за синтез тих білків, які присутні у коренях рослин, але їх синтез істотно активується у бульбочках;

б) нодуліни - гени (а часто і їх продукти), які з’являються de novo у бульбочках з розвитком симбіозу.

Розвиток ризобій у бульбочках контролюється рослиною, тому що неврегульоване розмноження бактерій може нанести шкоду для хазяї­ на. Після інфікування кореня й утворення бульбочок модуляція вже не відбувається на молодих коренях, які продовжують рости. При утворенні симбіозу у бобових виявлені процеси, схожі з захисними реакціями рос­ лин при їх пошкодженні фітопатогенними бактеріями: синтез етилену, фенолів, хітиназ, пероксидаз. На відміну від патогенезу, результатом якого є інактивація мікрооорганізму. при симбіозі відбувається регуляція розмноження ризобій. У той же час бульбочкові бактерії також проявля­ ють ряд захисних реакцій щодо рослин. Наприклад, захисною реакцію є синтез екзополісахаридів, який кодується ехо-генами.

4. Фіксаиія азоту - це основна функція сформованої симбіотично системи, за інтенивністю цього показника визначають ефективність (активність) бульбочкових бактерій. Фіксація азоту починається тоді, коли у бульбочках ризобії переходять у стан бактероїдів, у яких у цей час інтенсивно синтезується нітрогеназа, її вміст може досягати до 30% від загального вмісту білків. Разом із рослиною також виконуються такі функції, як захист нітрогенази від кисню, забезпечення енергетичних потреб і асиміляція продуктів азотфіксації.

Функціонування нітрогеназного комплексу у бобових кодується пії- генами, які контролюють структуру білків, утворення кофакторів, регу­ ляцію синтезу. На відміну від інших азотфіксуючих мікроорганізмів у ри-

121

зобій виявлена специфічна система fix-генів, які активуються тільки у мікроаерофільних умовах і виконують функцію сенсорів кисню; крім то­ го, гени цієї системи надують транспорт дикарбонових кислот, які є дже­ релом енергії для азотфіксації. На відміну від вільноіснуючих діазотрофів у симбіотичних азотфіксаторів гени нітрогеназного комплексу не мають репресії зв’язаними формами азоту. Це пояснюється тим, що функцію регуляції азотфіксації за умов надлишку азоту бере на себе рослина.

Роспина-живитель виконує також функцію захисту нітрогенази від кисню. Здіснюється це двома шляхами:

1)створенням дифузного бар’єру у покривних тканинах, зокрема у внутрішній корі бульбочки;

2)синтезом білка легоглобіну (подібному до гемоглобіну), який має високу спорідненість до кисню і забезпечує його транспорт до симбіосом. Поліпептидна і гемова частини цього білку синтезуються рослина­

ми і кодуються ї.Ь-генами.

У бактероїдах також синтезується гем, який пов’язаний із біогене­ зом цитохроміе, що забезпечують транспорт електронів до нітрогенази. Присутність гемових сполук дає рожеве забарвлення бульбочкам і свід­ чить про активність азотфіксації.

Зі свого боку, ризобії також мають механізми “протикисневого захи­ сту”, які здійснюються завдяки розгалуженій системі елекгронтранпортних ланцюгів, у яких одні компоненти працюють в аеробних, а Інші - мік­ роаерофільних та анаеробних умовах. Важливу роль у цьому відіграє цитахромоксцдаза ebb.

Енергетичне забезпечення азотфіксації здійснюється за рахунок продуктів фотосинтезу рослин у формі сахарози; для азотфіксації рос­ лина здійснює анаеробний етап - гліколіз, у результаті якого у бактерої­ ди надходять С4-дикарбонові кислоти (сукцинат і малат). Таким чином, на долю мікросимбіонту припадає найбільш енергетично вигідна части­ на катаболізму - цикл трикарбонових кислот (ЦТК), у який можуть без­ посередньо включатися сукцинат і малат. Бактероїди мають систему генів dctA, dctB, dctD, які забезпечують транспорт дикарбонових кислот. Продуктом dctB-гену є сенсорний білок dctB, який реагує на присутність дикарбонових кислот, а продуктом dctA-гену - фермент сукцинатпермеаза.

Фіксований азот асимілюється у формі амонію, який включається у метаболізм рослинної клітини (первинна асиміляція), потім утворю­ ються транспорні форми фіксованого азоту (наприклад, глутамін, аспа­ рагін, апантоїн), які надходять із бульбочок до провідної системи коре­

122

ня. Далі відбувається перерозподіл фіксованого азоту поміж різними органами рослин. Для сільськогосподарських культур важливого зна­ чення набуває накопичення зв'язаного азоту у зеленій масі кормових культур або у зерні. Це значно підвищує вміст білка і кормову або хар­ чову цінність рослинницької продукції.

Отже, генетична регуляція основних етапів симбіозу у риаобій здій­ снюється такими групами генів (таблиця 7.6).

Таблиця 7.6

Основнігрупи ген/е формування та функціонування симбіозу

5. Відмирання і розклад бульбочок. У фазу бутонізації азотфіксуюча активність кореневих бульбочок починає стрімко зростати. Найбільшу активність симбіозу виявляють у фазі цвітіння. У фазі утворення бобів активність бульбочок зменшується, а при дозріванні врожаю бульбочка вже майже на функціонує. У однорічних рослин у фазі повної стиглості бульбочки відмирають. У складі відмерлих кореневих решток вони роз­ кладаються у ґрунті, а ризобії після деструкції бульбочок продовжують сапротрофне існування. У багаторічних культур симбіоз існує одночасно

звегетуючою рослиною.

Уґрунті часто присутні неефективні бульбочкові бактерії, Інфіку­ вання якими веде до низького рівня азотфіксації. Для забезпечення ефективного симбіозу доцільно насіння рослин заражати високоактив­ ними специфічними культурами ризобій, які є основою бактеріальних добрив (див. розділ 10.1).

С им біоз бакт ерій Із н е б о б о в и м и р о с л и н а м и . С им біоз Із ц іа но б акт е р іям и . Азотфіксуючі ціанобактерії можуть утворюва­ ти симбіози з широким колом рослин - покритонасінних, голонасінних, папороттю, мохами, одноклітинними морськими діатомовими водорос­ тями.

123

Найбільш вивченими є ецдосимбіози гетероцистних ціанобактерій

АпаЬавпа (Ш віос) з водною папороттю АтІІа, а також Ыо&ос з Єиппега

та АпМосвгоз. Серед них тільки симбіоз Нових-Єиппега є внутрішньоклітинним, а інші - позаклітинними.

Симбіоз не є облігатним, і ціанобактерії можуть фіксувати азот са­ мостійно як при світлі, так І в темряві. Стосовно рослин спід зазначити, що тільки для Азова симбіоз є облігатним, для інших —факультативним.

При рості АпаЬавпа на безазоговому середовищі до 10% клітин, що розміщуються випадково по довжині нитки, перетворюються на гетероцисти. Ці клітини збільшуються у розмірах, набувають щільної оболонки, яка блокує надходження у цитоплазму вільного кисню. Виявлені їїді- гени, які кодують накопичення гліколіпідів у клітинній оболонці гетероцист, внаслідок чого оболонка перешкоджає дифузії кисню.

Перехід до азотфіксації супроводжується репресією генів, що конт­ ролюють фіксацію СОг, завдяки чому в гетероцистах припиняється утворення 0 2. Відбувається також перебудова л/ї-генів, що контролюють синтез нітрогенази. У вегетативних клітинах синтез нітрогенази немож­ ливий через те, що цілісність гену піЮ порушена присутністю фрагменту ДНК, що містить ген $ІхА, який кодує специфічну нуклеазу. При утворен­ ні гетероцист ця ендонуклеаза вирізає той фрагмент ДНК, який пере­ шкоджає синтезу нітрогенази, цілісність гену піЮ відновлюється І синтез нітрогенази стає можливим. Крім того, активуються гени азотного мета­ болізму, необхідні для асиміляції фіксованого амонію і переводу його у глугамін.

Розвиток симбіозу найбільш вивчений на прикладі партнерів Л/озїос-виплега. Він є внутрішньоклітинним, факультативним І неспе­ цифічним. У пазухах черешків листя Оиппвга містяться спеціальні зало­ зи з папілами, між якими є канали, що ведуть у глибину рослинних тка­ нин. При потраплянні у залозу ціанобактерії утворюють рухомі форми - гормогонії, що являють собою короткі нитки з дрібних паличок із повіт­ ряними вакуолями. Ці клітини проникають усередину симбіотичної зало­ зи, активно розмножуються та інфікують рослинні клітини. У місцях тіс­ ного контакту партнерів стінки рослинних клітин лізуються, що дає мож­ ливість ціанобактеріям проникнути всередину клітин, після чого ціліс­ ність стінки відновлюється. Всередині рослинних клітин ціанобактерії утворюють гетероцисти, в яких активується нітрогеназа і починається азотфіксація. Процес асиміляції амонію здійснює рослина.

С им біоз із акт ин о м іц ет ам и . Серед актиноміцетів здатність фіксувати азот у симбіозі з рослинами виявлена у представника роду Ргапкіа. Ця грамлозитивна бактерія утворює симбіотичні багаторічні бу-

124

NitPospina (Мдгасіїіз) - палички 0,3-0,4x1.7-2,6 мкм, нерухомі, ма­ ють слабо розвинені везікулярні мембрани або інвагінації цитоплазма­ тичної мембрани.

Шгозріга (Ктвгіпа) - вигнуті або спіральні клітини 0,3-0,4х1,5- 1,6 мкм, джгутики і внутрішньоклітинні мембрани не визначені.

Шгососсиз (М.тоШз) - коки діаметром 1,5-1,8 мкм, мають полярні джгутики, внутрішньоклітинні мембрани трубчасті.

Гетеротрофна нітрифікація полягає в окисненні амонійного та амінного азоту різних неорганічних і органічних сполук з утворенням проміжних продуктів - гідроксиламіну, оксимів, гідроксамових кислот, нітрозосполук, нітритів; кінцевим продуктом є нітрати. Біологічний сенс гетеротрофної нітриф ікації полягає у тому, щоб “скидати” електрони при окисненні органічних сполук, при цьому функції оксигенування мо­ жуть виконувати оксидо-редукгазні ферментні системи типу фенолоксидаз (наприклад, тирозинази). Популярною є теорія перекислого механі­ зму, згідно з якою активний кисень, що виділяється при розкладі каталазою персжсиду водню, окислює різні сполуки азоту. У зв'язку з тим, що у гетеротрофів нітрифікація не пов’язана з енергетичним метаболізмом, їхня нітрифікаційна здатність є набагато нижчою порівняно з автотроф­ ними нітрифікаторами. Гетеротрофна нітрифікація здійснюється багатьма хемоорганогетеротрофними мікроорганізмами, представниками родів /АжалАа, АІсаІідепез, СогугюЬасІегіит, АсінхутоЬасіег, РзеисІотопаз.

За даними О.В. Куракова, значну роль у гетеротрофній нітрифікації відіграють гриби, представники родів АзрегдШиз, Метала, СЬгузозрогит, СІасІозролит, Ризаліт, вііосіасііит, МугоОюсіит, РепісШіит, Тгі- Ш хіелпа. Незважаючи на те, що у грибів активність гетеротрофної ні­ трифікації нижча порівняно з автотрофною у бактерій, вона компенсу­ ється високими запасами активної біомаси грибів у ґрунті і таким чином може також впливати на динаміку нітратів.

Співвідношення автотрофної і гетеротрофної нітрифікації залежить від типу біогеоценозу. У ґрунтах природних екосистем (наприклад, лісо­ вих ценозах) переважає гетеротрофна нітрифікація, яку здійснюють гриби. В окультурених фунтах агроценозів, навпаки на долю автотрофних нітрифікаторів припадає майже 84-99% окислення амонійного азоту.

Слід звернути увагу на те, що при гетеротрофній нітрифікації мік­ роорганізми можуть окиснювати також нітросполуки, що входять до складу пестицидів, при цьому утворюються гідроксиламін, гідроксамові кислоти, які можна розглядати як фізіологічно активні речовини. Так, гідроксамові кислоти мають фітотоксичні властивості, тому при засто­ суванні азотних добрив, пестицидів та інгібіторів нітрифікації токсич­

133