Симбиотические микроорганизмы азотфиксаторы

Наиболее подробно в почвенной микробиологии изучались клубеньковые бактерии. 20% всех работ посвящено клубенько­вым бактериям в основном из-за их большого практического зна­чения в азотном питании растений и в связи с приготовлением бактериального препарата — нитрагина (ризоторфина) для инокуляции бобовых сельскохозяйственных культур. Повышение урожая от применения нитрагина изменяется от 20 до 200%. Под­робнее о клубеньковых бактериях см. в разделе о круговороте азота. Здесь отметим некоторые важные моменты. Клу­беньковые бактерии могут жить в почве, ризосфере и ризоплане. Обычно в почве в большом количестве они сохраняются 3-4 года после посева соответствующего бобового растения, а затем их титр резко падает, хотя в виде минорных компонентов комплек­са почвенных микроорганизмов они могут сохраняться десятки лет. К сожалению, нет достаточно хорошей элективной среды для учета количества клубеньковых бактерий в почве. В бобовые растения клубеньковые бактерии проникают через корневые во­лоски и формируют клубеньки. Наличие неболь­шого количества крупных розовых от леггемоглобина клубень­ков свидетельствует об установлении эффективного симбиоза между растением и бактериями и о том, что азотфиксация будет проходить успешно. Образование мощных клубеньков предотв­ращает дальнейшее их формирование. Если клубеньков очень мно­го, они мелкие и не имеют розовой окраски, что свидетельствует о переходе бактерий к паразитическому существованию.

Заражение растения происходит при соприкосновении клу­беньковых бактерий с корневыми волосками в период прораста­ния семян. Это взаимодействие генетически за­программировано и определяется специфическими метаболитами, которые образуют как бактерии, так и растения. Там же представлены последовательные этапы образования клубенька и его строение. Около корневого волоска формируется микроколония из клеток клубеньковых бактерий. Корневой волосок приобретает форму ручки зонтика. Затем происходит впячивание растительной клеточной стенки и формирование инфекционной нити, содержащей клетки бактерий и уходящей в глубь корня. Инфекционная нить формируется со скоростью 100-200 мкм за сутки.
При соприкосновении с тетраплоидными клетками коры нить стимулирует деление, как самой этой клетки, так и соседних диплоидных клеток. Инфекционная нить разветвляется, и бакте­рии распределяются по тетраплоидным клеткам. В результате раз­растания тканей, вызванного ктубеньковыми бактериями при уча­стии ростовых веществ, происходит образование клубеньков. Бак­терии в клубеньках размножаются очень быстро и образуют крупные клетки неправильной формы (бактероиды), объем ко­торых может в 10 раз превышать объем свободноживущих кле­ток. Бактероиды располагаются по отдельности или группами. Леггемоглобин обеспечивает диффузию кислорода че­рез клетку растения к бактероиду. Благодаря особым свойствам леггемоглобина бактероиды снабжаются кислородом в количе­стве достаточном для их роста и для получения энергии, но в то же время не создается слишком высокое парциальное давление кислорода, неблагоприятное для фиксации азота бактероидами. В сформировавшемся клубеньке бактероиды не растут, и вся энер­гия идет на азотфиксацию. Поэтому клубеньки фиксируют азот очень эффективно по сравнению со свободноживущими бактериями, у которых азотфиксация сопровождается активным ростом клеток.

На одном растении клубеньки одновременно могут образовываться разными видами или штаммами клубеньковых бактерий.

Поэтому вносимый штамм должен обладать конкурентоспособностью, т.е. именно он должен образовывать клубеньки в противоположность местным менее активным штаммам.

К симбиотическим азотфиксирующим микроорганизмам относится и актинориза, которая может фиксировать десятки и даже сотни килограммов N на 1 га. В этом случае коралловидные клубеньки образуют актиномицеты рола Franckia. Клубеньки образуются на растениях из разных се­мейств. Они распространены по всему земному шару и первыми появляются в местах, где идет почвообразование и породы бедны азотом. Актиноризой обладают ольха, лох, куропаточья трава, казуарина, облепиха и др Поскольку эти растения не имеют осо­бого хозяйственного значения, актинориза исследовалась мало.

Третий вид азотфиксирующего симбиоза — это взаимодействие цианобактерий с водным папоротником Azolla, растущим на по­верхности воды рисовых полей и других тропических водоемов. Цианобактерия Anabaena azollae содержится в полостях листьев этого растения. Она имеет очень много гетероцист, в которых осуществляется активная азотфиксация (150-300 кг N на 1 га за год), что полностью обеспечивает растения риса азотом.

Четвертый вид симбиотической азотфиксации осуществляет­ся в лишайниках, включающих цианобактерии.

Грибы — микоризообразователи вступают в симбиоз с высшими растениями и образуют микоризу (грибокорень). В экологии этот тип взаимоотношений (взаимовыгодный) называют термином мутуализм. В результате корень претерпевает большие морфологические и биохимические изменения. Образование микориз у растений является правилом, их отсутствие — редким исключением, т.е. корни почти всегда покрыты гифами гриба, гифы уходят далеко в почву и таким образом резко увеличивают поверхность соприкосновения корня и почвенных частиц. Почти все питательные вещества и вода сначала попадают в гифы и только потом в корень. В искусственных условиях без микоризы растения растут очень плохо, а некоторые (орхидеи) вообще не могут развиваться, так как они получают от гриба витамины. Различают много вариантов микориз. Рассмотрим только два наиболее отличающихся. Это эндотрофная везикулярно-арбускулярная (ВАМ) или просто арбускулярная микориза, характерная для большинства сельскохозяйственных культур, в том числе злаков и бобовых и эктотрофную, характерную для многих деревьев. Эндотрофную микоризу образуют представители зигомицетов, чаще всего виды родов Endogone, Pythium.

При эктотрофной микоризе гриб оплетает корень, оставаясь на его поверхности и образуя чехол из гиф. От этого переплетения мицелия в почву простираются многочис­ленные гифы, а корневые волоски не образуются (рис. 144). Гифы гриба проходят между клетками корневого эпидермиса и форми­руют так называемую «сеть Гартига». Образуют эту микоризу глав­ным образом шляпочные грибы — гименомицетовые из класса сыроежки, мухоморы и др. (роды Boletus, Russula, Amanita). Опята не являются микоризными грибами: они разрушают мертвую древесину.

Везикулярно-арбускулярная микориза (ВАМ) характеризует­ся тем, что гифы проникают в глубь корня, образуют характер­ные гребенкоподобные структуры (арбускулы), формируют так­же шаровидные структуры (везикулы). Гифы идут во все стороны от корня, на их концах возникают покоящиеся споры.

Способ культивирования микоризных грибов, особенно ВАМ, в лаборатории в чистой культуре до сих пор не разработан, что очень затрудняет исследования, селекцию и получение мутантов. Разработка такого способа является первоочередной задачей микологов, так как можно было бы создавать более активные штаммы.

Растения без ВАМ в лабораторных опытах потребляют в 10 раз меньше фосфора, в несколько раз меньше азота, калия, железа и других элементов, хуже обеспечиваются водой. Казалось бы, ис­кусственная микоризация должна давать сильный положитель­ный результат. Однако этого не происходит, так как в почве по­чти всегда присутствуют споры микоризных грибов. Они крупные (200 мкм), имеют характерную морфологию и довольно легко выделяются, возможен и подсчет их численности, но не культи­вирование. Искусственная микоризация дает ощутимые резуль­таты на почвах, подвергшихся обработке фунгицидами (для унич­тожения фитопатогенных грибов) или на рекультивируемых территориях.