Чем обогащают почву клубеньковые бактерии
Клубеньковые бактерии чем обогащают почву
Эти микроорганизмы способствуют выделению азота из воздушных потоков и преобразовывать его в полезные соединения. Бактерии создают на корневой системе ряда бобовых растений клубеньки, впадая в симбиоз. Разбираемся сегодня, клубеньковые бактерии чем обогащают почву.
Азот находится не только в атмосфере, но и в земной поверхности. И необходимо вовлекать его в общий круговой оборот. В подобного рота цикле активное участие принимают клубеньковые бактерии. Они усваивают азот из атмосферных масс и почвенного состава, перерабатывают его в органические компоненты, способные с легкостью потребляться растительным миром.
Растения потребляются людьми и животными, которые со временем отдают азотные элементы в воздух в результате наступления процесса денитрификации.
Роль бактерий в поставке азота
Насыщение почвенного слоя азотом – результат деятельности микроскопических организмов, к которым относятся и клубеньковые. Раньше считали, что этим видом работ занимаются исключительно клубеньковые организмы, способные потреблять из воздуха азот. И основную задачу в этом возлагали на бобовую растительность, как единственного источника для жизнедеятельности бактерий. Сегодня это мнение пересмотрено, так как в последнее время выявлено достаточное количество различных микроорганизмов, способствующих переработке азота.
И все же главное место в этом процессе отводится отряду клубеньковых. К нему причисляют ризобиум. Такой вид напоминает по своей форме палочку, не создает колоний, существует поодиночке либо парами. Встречаются отдельные виды, патогенные для человека, зараженного СПИДом.
Второй представитель – некоторые из актиномицетов, проживающие в корневых системах деревьев, обладающих способностью создавать для них клубеньковые отростки.
Попадая в волоски корней, бактерии создают активное деление их клеток, в ходе которого создаются клубеньки. Сами бактериальные микроорганизмы поселяются внутри, развиваются и перерабатывают азот. И в этих же клубеньковых отростках бактерии преобразуются в разветвленные формы, способные усваивать азот, соли, аминосодержащие кислоты, нитратные компоненты. С целью получения углерода микроорганизмы пользуются спиртами, моносахаридами, органическими кислотами.
Условия жизнедеятельности
Представители клубеньковых достигают размеров от 0,5 до 3 мкм. Они не создают споры, являются достаточно подвижными, грамотрицательные. Чтобы обменный процесс проходил без нарушений, следует обеспечить постоянный доступ кислорода. При разведении бактерий в условиях лабораторных опытов, наибольших результатов можно достичь при соблюдении температурного режима не менее двадцати пяти градусов тепла. Формы округлые, на вид прозрачные, консистенции слизистые.
Такие бактерии находят свое развитие на корневых системах бобовых, количество которых может достигать десяти процентов от общего числа. При этом у различных представителей создаются определенные виды этих организмов микроскопических форм.
С отмиранием корешков происходит и разрушение клубней. Но это не влечет за собой гибель бактерий. Они продолжают существовать в почве и перерабатывать азотные массы.
Бактериальные колонии способны поглощать около трехсот килограмм азота на каждый гектар земли, и в результате их процессов жизнедеятельности в почве задерживается более пятидесяти кило соединений, имеющих в своем составе азот. Именно поэтому используют севооборот культур, чтобы растения могли потреблять из земли полезные соединения, без добавления химикатов, вредных для здоровья. Высаживая после бобовых другие культуры например капусту урожай будет отличным.
Для севооборота в качестве сидератов используют бобовые, так как они отлично для этого подходят. Они рано всходят являясь холодостойкими и их корни рыхлят землю. Чаще применяют горох, однолетний люпин, вику, клевер, люцерну, нут, бобы и сою, фасоль, чечевицу, донник, козлятник, горох полевой и др. сильно обогащают почву азотом. Заделывание в верхний слой почвы зелень этих растений, заменяет удобрение навозом. Растения холодостойкие, рано всходят, а их корни мощно рыхлят землю.
С целью увеличения клубеньковых бактерий в почве и повышения урожайности бобовых, при посадке в землю можно внести нитрагин. С помощью этого средства проводится искусственное заражение семенного фонда клубеньковыми бактериями.
Клубеньковые бактерии
Роль бактерий в поставке азота
Насыщение почвенного слоя азотом – результат деятельности микроскопических организмов, к которым относятся и клубеньковые. Раньше считали, что этим видом работ занимаются исключительно клубеньковые организмы, способные потреблять из воздуха азот. И основную задачу в этом возлагали на бобовую растительность, как единственного источника для жизнедеятельности бактерий. Сегодня это мнение пересмотрено, так как в последнее время выявлено достаточное количество различных микроорганизмов, способствующих переработке азота.
И все же главное место в этом процессе отводится отряду клубеньковых. К нему причисляют ризобиум. Такой вид напоминает по своей форме палочку, не создает колоний, существует поодиночке либо парами. Встречаются отдельные виды, патогенные для человека, зараженного СПИДом.
Второй представитель – некоторые из актиномицетов, проживающие в корневых системах деревьев, обладающих способностью создавать для них клубеньковые отростки.
Попадая в волоски корней, бактерии создают активное деление их клеток, в ходе которого создаются клубеньки. Сами бактериальные микроорганизмы поселяются внутри, развиваются и перерабатывают азот. И в этих же клубеньковых отростках бактерии преобразуются в разветвленные формы, способные усваивать азот, соли, аминосодержащие кислоты, нитратные компоненты. С целью получения углерода микроорганизмы пользуются спиртами, моносахаридами, органическими кислотами.
Условия жизнедеятельности
Представители клубеньковых достигают размеров от 0,5 до 3 мкм. Они не создают споры, являются достаточно подвижными, грамотрицательные. Чтобы обменный процесс проходил без нарушений, следует обеспечить постоянный доступ кислорода. При разведении бактерий в условиях лабораторных опытов, наибольших результатов можно достичь при соблюдении температурного режима не менее двадцати пяти градусов тепла. Формы округлые, на вид прозрачные, консистенции слизистые.
Такие бактерии находят свое развитие на корневых системах бобовых, количество которых может достигать десяти процентов от общего числа. При этом у различных представителей создаются определенные виды этих организмов микроскопических форм.
С отмиранием корешков происходит и разрушение клубней. Но это не влечет за собой гибель бактерий. Они продолжают существовать в почве и перерабатывать азотные массы.
Бактериальные колонии способны поглощать около трехсот килограмм азота на каждый гектар земли, и в результате их процессов жизнедеятельности в почве задерживается более пятидесяти кило соединений, имеющих в своем составе азот. Именно поэтому используют севооборот культур, чтобы растения могли потреблять из земли полезные соединения, без добавления химикатов, вредных для здоровья. Высаживая после бобовых другие культуры например капусту урожай будет отличным.
Для севооборота в качестве сидератов используют бобовые, так как они отлично для этого подходят. Они рано всходят являясь холодостойкими и их корни рыхлят землю. Чаще применяют горох, однолетний люпин, вику, клевер, люцерну, нут, бобы и сою, фасоль, чечевицу, донник, козлятник, горох полевой и др. сильно обогащают почву азотом. Заделывание в верхний слой почвы зелень этих растений, заменяет удобрение навозом. Растения холодостойкие, рано всходят, а их корни мощно рыхлят землю.
С целью увеличения клубеньковых бактерий в почве и повышения урожайности бобовых, при посадке в землю можно внести нитрагин. С помощью этого средства проводится искусственное заражение семенного фонда клубеньковыми бактериями.
Клубеньковые бактерии живут на корнях
Эти микроорганизмы имеют возможность вступать в симбиотические отношения только с некоторыми видами флоры, поселяясь у них в корневищах. Существует несколько гипотез об их проникновении в корни.
Согласно одной из них, они проникают в корневую структуру через механические повреждения.
А другая теория гласит, что они проникают через корневые волоски.
Согласно третьей – ауксинной гипотезы, они оснащены клетками-спутниками, которые оказывают помощь во время их внедрения в корневую систему.
Внедряются бактериальные формы в корни растения в две фазы. Сначала происходит инфицирование волосков корневой системы, а только потом формируются клубеньки. Длительность фаз может отличаться в зависимости от качества почвы и вида посадки. Также они могут удлиняться из-за формирования неблагоприятных окружающих условий среды.
При отсутствии хозяев эти симбионты способны длительный период времени просто жить в почве. Однако в такой ситуации, микроорганизмы теряют свою способность, заключающуюся в фиксации азота. При посадке подходящих видов флоры они активно начинают проникать в ее корни, а потом и создавать клубеньки.
Вездесущие прокариоты
В начале прошлого века были открыты первые клубеньковые микроорганизмы, которые могут усваивать атмосферный азот. Интересно, что почти одновременно были обнаружены анаэробный Клостридиум пастерианум (С.Н.Виноградский) и аэробный Азотобактер (М. Бейеринк). Со временем были выявлены и другие азотфиксирующие бактерии, как свободноживущие, так и симбионты, которые живут и размножаются на корнях злаковых, бобовых, сложноцветных (наиболее известны тимофеевка, сорго, картофель). Выращивая клубеньковые бактерии на питательных средах, ученые обнаружили, что кроме фиксации азота, они живут и размножаются, выполняя синтез стимуляторов роста и корнеобразования, некоторых витаминов, а также антибиотиков.
Клубеньковые бактерии отличаются высокой специфичностью по отношению к растениям-симбионтам. Исследование их специфичности позволило найти ответ на вопрос о том, почему бактериальные препараты имеют варьирующую эффективность в зависимости от культур, которые ими обрабатываются. Первый бактериальный препарат Нитрагин, предназначенный для обработки семян бобовых растений, был предложен в 1897 году Ф. Ноббе и Л. Гильтнером. Это положило начало промышленному производству бактериальных удобрений, исследованиям по специфичности азотфиксаторов, а также поиску наиболее удобных для транспортировки и хранения форм бактериальных препаратов, которые способны в дальнейшем жить и размножаться.
Функции клубеньковых бактерий
Учеными установлен целый список функций, которые выполняются этими микроорганизмами:
В этом видео рассказано о клубеньковых бактериях.
Активность выполнения перечисленных функций зависит от ряда причин, среди которых выделяют:
Фиксация прокариотами атмосферного азота зависит от влияния внешних условий. Например, при большом содержании в почве азотнокислых и аммиачных солей, скорость азотной фиксации угасает, а при их дефиците, наоборот, увеличивается. Это обусловлено тем, что находящиеся в растении и почве азотистые соединения блокируют притяжение их новых «порций» из атмосферы. Также на эту способность оказывает влияние и молибден: при его добавлении в почву процесс азотного притяжения активизируется. Это объясняется тем, что молибден является составляющей ферментов, которые осуществляют фиксацию атмосферного азота.
Клубеньковые бактерии: примеры пользы
Этот вид бактериальных форм способен скапливать азот, что очень важно не только для самого растения, но и для сельского хозяйства в целом. Симбиоз посадки и прокариот значительно увеличивает урожайность
Также многие фермеры и дачники дополнительно подкармливают посадки, изготавливая из бактериальных форм, формирующих клубеньки, удобрения. Оно используется для обрабатывания семян бобовых культур. Такая обработка позволяет активизировать процесс дальнейшего инфицирования корневищ.
Еще один пример пользы таких прокариот – участие в круговороте азотистых соединений в природе. Такой вывод обуславливается тем, что по статистике, на 1 гектар высаженных бобовых, достигших плодоносящего периода и вступивших в симбиоз с прокариотами такого типа, связывает в среднем 100-400 килограмм азота.
В процессе своего размножения они синтезирую витамины, антибиотические вещества природного происхождения, что способствует ускоренному развитию корневой системы. Также они ускоряют рост посадки, синтезируя фитогормоны.
Питание клубеньковых бактерий
Эти бактериальные формы питаются соединениями, которые вырабатываются флорой взамен на то, что они улавливают азот из воздуха и формируют его в форму, пригодную для поглощения растительными культурами. Так, из корневой системы они добывают углеводные соединения. Помимо углеводов, они могут поглощать сахара, аминокислоты и иные вещества, которые выделяются корневой системой.
Благодаря такому сожительству вокруг корневой системы формируется ризосфера – слой почвы, который насыщен полезными и питательными веществами, переработанными из отмерших участков флоры. Такие полезные вещества доступны для питания растительных культур и самих бактериальных клеток, что подтверждает факт взаимополезного бактериально-растительного симбиоза.
В этом видео рассказано о симбиозе клубеньковых бактерий и сои. Не забывайте оставлять свои вопросы, пожелания и к статье.
Пробиотики для растений: как накормить растущий мир
Пробиотики для растений: как накормить растущий мир
Пробиотики для растений — будущее «зеленого» сельского хозяйства!
иллюстрация Александра Быкова
Автор
Редакторы
Рецензент
Ассоциация коммуникаторов в сфере образования и науки (АКСОН) при поддержке компании Bayer провела грантовый конкурс для российских научных журналистов «Life Science глазами журналистов». Одним из победителей конкурса стала Наталия Солнцева из «Биомолекулы» с материалом о создании микроорганизмов-симбионтов для сельскохозяйственных культур.
Жизнь всех людей на планете (а сегодня нас 7,8 млрд человек [1]) зависит от сельского хозяйства. Население Земли неуклонно растет и, по расчетам Департамента по экономическим и социальным вопросам ООН (United Nations, Department of Economic and Social Affairs), к 2050 году достигнет 9,8 млрд человек. С увеличением числа людей неизбежно будет изменяться и их рацион; особенно сильно это затронет жителей развивающихся стран, которые начнут потреблять больше калорий животного происхождения, так как для них мясо будет становиться всё более доступным [2]. Растущая животноводческая отрасль, в свою очередь, нуждается в земле, воде и кормах. При таком сценарии развития событий существует риск глобальной нехватки ресурсов, поэтому поиск более эффективных способов ведения сельского хозяйства — актуальная задача, над которой по всему миру работают тысячи ученых и даже целые институты.
Существует тесная взаимосвязь между чрезмерным применением азотных удобрений и проблемами окружающей среды, такими как эвтрофикация (насыщение водоемов биогенными элементами, приводящее к бурному развитию водорослей), парниковый эффект, истощение озонового слоя и кислотные дожди [6]. Кроме того, производство химических удобрений и пестицидов сопряжено с высокими энергозатратами. Поэтому критически важно, чтобы новые подходы оставались «зелеными» — не нарушали баланса с окружающей средой, но при этом были достаточно эффективными, составляя конкуренцию традиционным методам в решении непростой задачи — «Как накормить растущий мир?».
С помощью генной инженерии получить микроорганизмы и растения с заданными свойствами можно всего за несколько поколений. Этот способ настолько мощный, что можно даже сделать их подходящими строго друг к другу, и не бояться, что полезные микробы «перебегут» к сорнякам и будут «работать» на них. Несмотря на внушительные успехи генной инженерии и развитие синтетической биологии [14], собрать полностью нового микроба с заданными свойствами мы пока не можем. Более реалистичный вариант — дополнить геном микроба нужными нам генами (для синтеза защитных веществ, факторов роста и т. д.) и использовать его для улучшения роста определенных с/х культур.
Где обитает полезная микрофлора?
Микроорганизмы-симбионты обитают на всей поверхности надземных органов растения, в ризосфере и даже в его внутренних тканях (рис. 1). Исходя из этого, их можно условно разделить на две группы:
Рисунок 1. Ниши колонизации микроорганизмами корня растения. Бактерии ризосферы (оранжевые клетки) колонизируют зону почвы, прилегающую к корням, не проникая при этом во внутренние ткани растения. Бактерии ризопланы, или эпифитные бактерии (синие клетки) находятся в тесном взаимодействии с поверхностью корня и иногда могут быть обнаружены в тканях растения. Эндофитные бактерии (красные клетки) колонизируют различные области в эпидермисе корня и могут находиться в апопластических межклеточных пространствах и апопласте сосудов ксилемы. Эндофиты проникают во внутренние ткани растения через места повреждений в эпидермисе, кончиках корней и в местах появления боковых корешков. Некоторые эндофитные бактерии могут распространяться в отдаленные органы растений (стебель, листья, семена и плоды).
Большинство эндофитных бактерий обитает в апопласте (межклеточном прострастве и клеточных стенках) растения-хозяина, чаще всего в корнях. Однако есть некоторые бактерии, способные вступать в настоящие мутуалистические взаимодействия со своими хозяевами — проникать внутрь его клеток. Самым хорошо изученным примером такого взаимодействия являются корневые клубеньки — особые образования на корнях растений, преимущественно бобовых, ассоциированные с симбиотическими азотфиксирующими бактериями отряда Rhizobiales (рис. 2) [17].
Рисунок 2а. Корневые клубеньки люцерны (Medicago italica)
Рисунок 2б. Бактерии Rhizobiales (пурпурные) в тканях корня (зеленый)
Рисунок 2в. Поперечное сечение через корневой клубенек сои (Glycine max ‘Essex’). Азотфиксирующая бактерия Bradyrhizobium japonicum инфицирует клетки корней, что приводит к возникновению тесного внутриклеточного симбиоза. На микрофотографии высокого разрешения показана часть клетки корня с одиночными бактериями в симбиосомах.
Давайте разберемся в терминах!
Полезную микрофлору растений называют по-разному. В английском научном языке фигурирует несколько терминов: plant growth promoting microorganisms (PGPM — микроорганизмы, усиливающие рост растений [18]), plant growth promoting bacteria (PGPB, бактерии, усиливающие рост растений [4]) и наиболее конкретный — plant growth promoting rhizobacteria (PGPR, ризобактерии, усиливающие рост растений), потому что большая часть бактерий-симбионтов растений обитает именно в ризосфере [19–21]. Специально приготовленную для сельскохозяйственного использования смесь таких микроорганизмов называют biofertilizers — «биоудобрения», или plants probiotics — «пробиотики растений» [22].
С терминами на русском языке всё немного сложнее. Среди них можно встретить, например, такие: стимулирующие рост растений бактерии [23], агрономически полезная микрофлора и пробиотики для растений [24].
Пробиотики — это смесь живых микроорганизмов, приносящих пользу хозяину при введении. Чаще всего этот термин употребляют в контексте «прокачки» микробиоты человека и высших животных, однако с недавнего времени ведутся активные работы по разработке пробиотиков для растений и даже для кораллов [25]!
Чтобы избежать путаницы, далее в статье мы будем чаще всего использовать именно последний вариант — пробиотики для растений!
От микроба к пробиотику
Вот как сегодня выглядит стратегия подбора растительных пробиотиков поэтапно:
Самые перспективные кандидаты затем используют для дальнейших более глубоких исследований и полевых испытаний. Часть микроорганизмов подвергают генетическим модификациям, чтобы усилить полезные свойства или добавить в систему дополнительные рычаги контроля [26].
С помощью такой схемы были выделены и описаны десятки штаммов бактерий-пробиотиков, в основном из родов Azospirillum, Azotobacter, Beijerinckia, Bacillus, Burkholderia, Paenibacillus, Pseudomonas, Enterobacter, Klebsiella, Serratia и Streptomyces [27]. Их способность усиливать рост и увеличивать урожайность агрономически важных культур была показана во множестве полевых испытаний, о которых мы подробнее поговорим далее.
Как подселить полезных микробов к растению?
В естественной среде все растения обладают уникальной микробиотой. Задача ученого и идущего по его стопам «зеленого» фермера состоит в том, чтобы успешно подселить «полезные» микроорганизмы к растению и создать максимально комфортные условия для массовой колонизации. Чтобы заселить растение полезными микробами, используют три основных способа: инокуляцию семян, корней и/или почвы (рис. 3).
Рисунок 3. Отбор перспективных штаммов и способы колонизации растений пробиотиками: инокуляция семян, корней и/или почвы
иллюстрация автора статьи
Чаще всего для колонизации растения его корни, предварительно очистив от земли, инкубируют в суспензии клеточной культуры с полезными свойствами (рис. 3) [9], [28]. После инкубации, в ходе которой происходит колонизация корней, растения сажают обратно в почву. Эффективность этого способа чрезвычайно высока и приводит к массовой колонизации корней полезными микробами, которые часто остаются с растением на протяжении всей его жизни [9].
Другой метод — распыление суспензии живых бактерий на почву и поверхность растений или предшествующая посадке колонизация стерильных семян [29]. Эффективность колонизации при этом меньше, чем при окунании, но может быть увеличена с помощью разных приемов. Например, покрытие семян сои ризобактериями, иммобилизованными на нановолокнах, улучшает выживаемость этих бактерий на семенах в течение 30 дней, а также способствует успешной колонизации развивающихся корней микроорганизмами после прорастания [30].
Механизмы, стимулирующие рост растений
Итак, удачно подобранная микрофлора крайне полезна для растений и может значительно улучшить эффективность сельского хозяйства. Но каким образом микроорганизмы помогают растению? В каких процессах они участвуют и где обитают? Как и где применяются растительные пробиотики?
Механизмы, благодаря которым бактерии стимулируют рост и урожайность самых разных культур, можно условно разделить на несколько типов:
Давайте подробнее поговорим о каждом из них.
Биофертилизация почв
Почва — залог успешного растениеводства, ведь именно из нее растение получает бóльшую часть минеральных веществ. Ее состав динамичен и определяется не только уже имеющимися компонентами и вносимыми удобрениями, но и во многом зависит от населяющих ее микроорганизмов. Об их влиянии на почву и рост растений мы и поговорим далее.
Бактерии-азотфиксаторы
Процесс Габера—Боша назван в честь двух немецких химиков-инженеров, внесших наибольший вклад в его разработку в 1904–1913 годах.
В его основе лежит простая химическая реакция: N2 + 3H2 ⇄ 2NH3, — атмосферный азот при высоком давлении и температуре реагирует с водородом на специальном катализаторе с образованием аммиака. Предложенный в начале ХХ века, этот процесс открыл возможность производства аммонийных удобрений в большом количестве, и недостаток азота в почве перестал быть ограничивающим фактором для развития сельского хозяйства. По сей день модифицированные варианты этой реакции остаются главным источником азота для человечества (по-видимому, около половины атомов азота в нашем теле ведут свое происхождение именно из нее) [31].
Однако всё имеет свою цену: процесс Габера–Боша глубоко изменил глобальный цикл азота [32], что привело к некоторым опасным последствиям.
Какие проблемы возникают при использовании азотных удобрений?
По расчетам экспертов FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations, Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных наций), суммарное производство аммонийных удобрений в мире в 2015 году составило около 154,773 млн тонн, а в 2020 составит примерно 170,761 млн тонн. Мы видим почти десятипроцентный прирост производства аммонийных удобрений за последние пять лет. Таким образом, процесс Габера–Боша потребляет около 1–2% мировой получаемой энергии и 3–5% добываемого природного газа [33]. Поскольку реакция приводится в действие ископаемой энергией, в ходе нее в атмосферу высвобождаются большие объемы парниковых газов.
После внесения азотных удобрений в почву они поглощаются растениями не полностью, часть азота превращается в другие формы в процессе окисления. Избыток азота теряется в ионной или газообразной форме в результате выщелачивания, улетучивания и денитрификации, что увеличивает потенциальную угрозу для окружающей среды [34].
Кроме того, избыточный азот (чаще всего в форме нитратов) может накапливаться в тех частях растений, которые мы используем в пищу. Продуктов без нитратов в природе просто не существует, и часто их вред значительно преувеличен, однако в случае значительного превышения норм использования азотных удобрений, потребление таких культур может нанести вред здоровью человека и животных, что показали некоторые исследования. Например, нитрит может вызвать метгемоглобинемию, что, в свою очередь, может привести к гипоксии тканей и, возможно, смерти. Также нитрит может взаимодействовать с N-алкиламидами с образованием N-нитрозоканцерогенов [3].
Биологическая фиксация азота может стать «зеленой» альтернативой использованию химических азотных удобрений и, по крайней мере, частично заменить их. Кроме того, применение живых азотфиксаторов поможет уменьшить потери химически произведенного азота из-за выщелачивания и предотвратить его накопление в окружающей среде.
Способностью фиксировать азот обладает огромное количество микробов, как бактерий, так и архей. Эта черта важна не только для симбиоза с растениями, но с многими другими формами жизни — например, она есть у хемосинтетических симбионтов морских беспозвоночных [37].
Рисунок 4. Трехдоменное древо жизни. Синим цветом выделены группы бактерий и архей, представители которых содержат гены кластера азотфиксации (nifHDKENB) и теоретически способны фиксировать атмосферный азот.
Симбиотическая азотфиксация
Пример симбиоза между клубеньковыми бактериями и бобовыми хорошо знаком нам со школы. Эти бактерии (например Rhizobia, Frankia) усваивают неорганический азот из атмосферы и передают его растению в доступной форме — органических азотсодержащих веществ (рис. 5, справа). Эффективность этого процесса очень велика [38], [39]. Кажется логичным взять клубеньковые бактерии и пересадить их на другие виды сельскохозяйственных небобовых культур — пшеницу, томаты, огурцы. Однако это не так просто. Проблема в том, что бактерии, способные к такому тесному симбиозу с растением, чрезвычайно видоспецифичны [38]. Они прошли миллионы лет эволюции, чтобы приспособиться к своим хозяевам. С другой стороны, изменять геном бактерий или растений, чтобы подружить их, очень трудозатратно. Это требует настолько огромных модификаций обоих участников симбиоза, что становится нецелесообразным и, вероятно, даже невозможным на данном этапе развития генной инженерии.
К счастью, делать этого совершенно не нужно, ведь помимо клубеньковых бактерий в почве есть огромное число свободноживущих диазотрофов, которые с радостью вступают в симбиоз с сельскохозяйственными культурами. Для растениеводов они интересны тем, что заменяют химические азотные удобрения, потенциально снижая производственные затраты и смягчая негативное воздействие удобрений на окружающую среду.
Свободноживущие азотфиксаторы
Свободноживущие азотфиксаторы (по-английски они называются FLNFB — free-living nitrogen fixing bacteria) — это бактерии, живущие около и/или на поверхности корней, реже в тканях. Именно эти диазотрофы являются основным источником азота в большинстве наземных экосистем [17].
Жизнь свободноживущих азотфиксаторов в почве обеспечивается растворенным органическим углеродом, в то время как клубеньковые бактерии напрямую зависят от простых углеродных соединений (например сукцината), синтезируемых и выделяемых растением (рис. 5). Концентрация кислорода в ризосфере сильно варьирует и определяется структурой и текстурой почвы, а также дыханием микробов и корней, поэтому свободноживущие диазотрофы чаще всего способны жить в большом диапазоне концентраций кислорода, что делает их более удобными объектами для промышленного применения. Симбиотические азотфиксаторы, в свою очередь, получают кислород в низких концентрациях и исключительно от растения-хозяина. Другое преимущество свободноживущих диазотрофов состоит в способности самостоятельно получать микроэлементы, необходимые для процессов азотфиксации, — P, Fe, Mo и V. Диазотрофов-симбионтов этими элементами обеспечивает растение-хозяин [17].
Рисунок 5. Основные отличия в экофизиологии свободноживущих и симбиотических диазотрофных бактерий. Свободноживущие диазотрофы (слева), в отличие от симбиотических (справа), способны жить в широком диапазоне концентраций кислорода, самостоятельно добывают необходимые микроэлементы и питаются растворенным в почве органическим углеродом.
Как мы видим, физиологические и биохимические особенности свободноживущих диазотрофов делают их гораздо более удобными и пластичными для применения в сельском хозяйстве по сравнению с азотфиксаторами-симбионтами. Это работает не только в теории: в многочисленных экспериментах и полевых испытаниях свободноживущие диазотрофы очень хорошо себя показали.
Среди свободно живущих диазотрофных ризобактерий представители таксонов Azoarcus, Azospirillum, Azotobacter, Beijerinckia, Bacillus, Enterobacteria, Paenibacillus, Burkholderia, Gluconoacetobacter и Herbaspirillum были описаны как стимулирующие рост сельскохозяйственных культур [40]. Особенно много азотфиксаторов-симбионтов растений можно встретить среди Bacilli и Proteobacteria. Например, некоторые из наиболее хорошо изученных и часто используемых штаммов растительных пробиотиков относятся к роду Azospirillum (Proteobacteria). Во множестве экспериментов показано, что Azospirillum улучшает рост таких культур, как пшеница, кукуруза и рис [41].
Отличиться смогли и энтеробактерии (Enterobacteria — группа грамотрицательных протеобактерий, которая получила свое название из-за большого числа патогенов, которые в нее входят). Enterobacteria не только обитают в кишечнике человека и животных, но также в большом количестве встречаются и в почве, где некоторые штаммы способны фиксировать азот. Этой способностью воспользовались ученые, показав, что Enterobacter sp. стимулирует рост побегов кукурузы (рис. 6) и многих других культурных растений [42].
Рисунок 6. Добавление пробиотика — культуры Enterobacter sp. — стимулирует рост побегов и корней двухнедельных сеянцев кукурузы
Бактерии-солюбилизаторы
Фосфор (P) является вторым по необходимости питательным веществом для растений после азота. Снижать его потери при внесении фосфорных удобрений, не давая фосфатам быстро перейти в нерасторимую недоступную для растения форму, — еще одна задача, с решением которой могут помочь бактерии!
Бактерии почвы способны значительно повышать солюбилизацию фосфатов. В этом случае их называют фосфор-солюбилизирующими (phosphate solubilizing bacteria, PSB). Применение PS-бактерий может покрывать около 50% потребности посевов в фосфатах, значительно снижая использование вредных для среды химических удобрений. Среди почвенных бактерий эффективными солюбилизаторами фосфатов являются представители родов Micrococcus, Pseudomonas, Bacillus, Paenibacillus, Deftia, Azotobacter, Klebsiella, Rhizobium, Pantoea и Flavobacterium [40]. Например, показано, что штаммы Rhizobium leguminosarum с выраженными фосфор-солюбилизирующими свойствами — подходящие пробиотики для повышения урожайности перца и томата [40], а бактерии из рода Mesorhizobium, также эффективные P-солюбилизаторы, способствуют росту нута и ячменя [43], [44].
Наконец, третий по необходимости минеральный элемент, важный для здоровья растений, — это калий (К). И здесь нам опять на помощь приходят бактерии!
Существует довольно много ризобактерий, которые способны превращать нерастворимые соли калия в доступные для растений соединения. К наиболее перспектиыным K-солюбилизаторам относятся представители Firmicutes, в особенности роды Bacillus и Paenibacillus [45].
Бактерии и сидерофоры
Сидерофоры — это органические соединения, которые синтезируются микроорганизмами (бактериями, археями или грибами) с целью «захвата» трехвалентного железа из окружающей среды и его передачи в клетку по специальным каналам [46]. В случаях, когда почва обеднена ионами трехвалентного железа, сидерофоры почвенных микроорганизмов помогают растению более эффективно их добывать. Пока точные механизмы того, как бактерии снабжают железом растения, мало изучены [47]. Однако уже существуют многочисленные экспериментальные данные о важности этого феномена в стимуляции роста. Так, сидерофоры эндофитных штаммов Streptomyces способны стимулировать рост нима (Azadirachta indica), томатов и шоколадного дерева (Theobroma cacao) [48], [49], а продуцирующий сидерофоры штамм Phyllobacterium endophyticum PEPV15 способствует росту и повышает качество клубники [50].
Бактерии и фитогормоны
Многие бактерии-эндофиты способны синтезировать фитогормоны — «родные» для растений молекулы, которые регулируют их рост и развитие. В некоторых случаях бактерии синтезируют гормоны ради того, чтобы «захватить» растение и питаться его полезными «соками». Однако довольно широкий спектр условно полезных бактерий за счет гормонов повышает урожайность сельхозкультур [51].
На «Биомолекуле» есть целый раздел со статьями про фитогормоны, где можно почитать интересные подробности о каждом из них.
Например, ауксины (группа растительных гормонов — производных индола) обладают высокой физиологической активностью: стимулируют рост плодов и побегов растений, верхушечный рост, фототропический рост (к свету), положительный геотропизм корней (рост вниз). Кроме того, они способны усиливать рост клеток камбия и придаточных корней, влиять на рост клеток в фазе растяжения и дифференцировку. Уменьшение концентрации ауксина в растении приводит к увяданию листьев. Среди акусинов 3-индолилуксусная кислота является наиболее известным и наиболее активным растительным гормоном.
У бактерий ауксины играют роль ключевых сигнальных молекул для коммуникации и координации своей деятельности. Среди ауксин-продуцирующих бактерий можно выделить представителей родов Bacillus, Paenibacillus, Enterobacter, Sphingomonas и многих других (рис. 7) [52].
Рисунок 7. Применение Bacillus aryabhattai SRB02 в качестве пробиотика для увеличения урожайности сои. На вегетативной стадии развития сои в почву вносили культуру B. aryabhattai SRB02, стерилизованную питательную среду или дистиллированную воду (в качестве контроля). Дальнейшие эксперименты показали, что применение культуры SRB02 способствовало росту сои при всех температурных режимах и значительно увеличивало длину побегов, ширину листьев и количество узлов (а, б) после успешной колонизации корней в течение двух дней после инокуляции (в). Газовая хроматография и масс-спектрометрический анализ показали, что SRB02 продуцировал в культуре значительные количества абсцизовой кислоты, индолуксусной кислоты, цитокинина и различных гиббереллинов.
Помимо ауксинов, есть целый ряд других важных фитогормонов. Цитокинины способствуют цитокинезу, дифференцировке сосудов и доминированию верхушек корней. Гиббереллины участвуют в прорастании семян, росте стеблей и листьев, активируют цветение и развитие плодов. Наконец, растительный гормон этилен, как известно, регулирует созревание плодов, цветение и опадание листьев. Также было показано, что этилен способствует прорастанию семян, образованию вторичных корней и удлинению корневых волосков [40].
Все эти фитогормоны синтезируются огромным количеством растительных бактерий-симбионтов. Нам осталось только «приручить» их, заставить работать в наших интересах на благо «зеленого» сельского хозяйства. Здесь кстати придутся методы генной инженерии [13]. В частности, с их помощью можно «настроить» производство фитогормонов в необходимых количествах и даже активировать их синтез по специальному сигналу.
Защита от абиотических стрессов и биоремедиация почв
Причины абиотического стресса у растений могут быть самые разные: засуха, излишнее обводнение, экстремальные температуры, засоленность почвы, загрязнение тяжелыми металлами или сильный окислительный стресс. Всё это негативно сказывается на урожае [53].
Борьба с засухами, наводнениями и загрязнением почв с помощью бактерий — давно не фантастика, а реальность!
Бактерии против фитопатогенов
Бактерии-фитосимбионты играют огромную роль в патогенезе различных болезней растений. Механизмы предотвращения болезней бактериями могут быть прямыми или косвенными, в зависимости от того, ингибируются ли патогены в результате метаболизма бактерий-пробиотиков или их представители конкурируют друг с другом.
Производство антибиотиков, сидерофоров и ферментов, разрушающих клеточную стенку патогенов, — основные механизмы участия «полезных» бактерий в этой борьбе.
Патогенный гриб Gaeumannomyces graminis — возбудитель офиоболезной корневой гнили — опасной болезни, поражающей злаки и приводящей к значительным потерям урожая по всему миру [58]. Симптомы этого заболевания проявляются так: молодые растения выглядят низкорослыми, их наружные листья желтеют, а корни становятся темными и ломкими, в конечном итоге чернеют и отмирают (рис. 8). У взрослых злаков появляются пятна на листьях, колосья окрашиваются в серый или белый цвета. Пораженные растения слабо кустятся, к началу цветения листья увядают, а продуцирующие стебли отмирают. На сохранившихся стеблях формируется щуплое зерно или полное белоколосие. Продуктивность пораженных растений может снизиться на 50%.
Рисунок 8а. Корни овса, пораженные офиоболезной корневой гнилью (возбудитель Gaeumannomyces graminis)
Рисунок 8б. Побеги и корни пшеницы обыкновенной (Triticum aestivum L.), пораженные Gaeumannomyces graminis var. tritici
Победить этот недуг может широко известная и хорошо изученная бактерия Pseudomonas spp. Штаммы Pseudomonas производят антибиотик 2,4-диацетилфлороглюцинол (2,4-DAPG), который подавляет рост патогенного гриба Gaeumannomyces graminis и позволяет сохранить урожай [59]. Гены, отвечающие за синтез 2,4-DAPG, распространены весьма широко — они найдены в 22 генотипах Pseudomonas spp. Из этого следует, что можно использовать не только ранее описанные штаммы псевдомонад, а также и естественные, обитающие в данной почве, предварительно сделав скрининг на гены синтеза 2,4-DAPG. Чаще всего нативные штаммы лучше приживаются и способны выдержать конкуренцию с «соседями» в среде, из которой они были выделены.
Но не только штаммы Pseudomonas эффективны в борьбе с Gaeumannomyces graminis. Различные виды родов Klebsiella, Bacillus, Acinetobacter и Paenibacillus также активно действуют против этого грибка [60].
Штаммы, принадлежащие к роду Bacillus — вообще рекордсмены по борьбе с патогенами! Большое количество штаммов Bacillus способны вырабатывать антибиотики, которые активны в отношении как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий, а также многих патогенных грибов (рис. 9) [33], [61].
Рисунок 9. Обработка плодов клубники суспензией живых бактерией Bacillus contaminans B-1 оказывает ингибирующий эффект на развитие серой гнили. «Раны» на плодах созданы искусственно с помощью стерильной иглы.
Пробиотики растений могут помочь в борьбе не только с патогенными микробами, но и с более крупными паразитами — нематодами и насекомыми. Например, специально подобранный комплекс стимулирующей микрофлоры для томатов значительно повышает их устойчивость к паразитической нематоде Meloidogyne sp. — разрушительному и широко распространенному возбудителю болезней у томатов [62], [63].
Meloidogyne incognita — паразит, который приводит к формированию галлов на корнях более чем 3000 видов растений. В результате ее жизнедеятельности сосуды корня закупориваются, что препятствует поступлению в растение воды и питательных веществ, из-за чего растение чахнет и погибает. Против нематоды Meloidogyne incognita особенно эффективна бактерия Bacillus firmus, вырабатывающая сериновую протеазу Sep1. В эксперименте Escherichia coli (рабочая лошадка биотехнологии [64]) была трансформирована геном sep1 Bacillus firmus и, таким образом, сама начала производить не свойственную ей протеазу. В результате показали, что протеаза Sep1 эффективно разрушает поверхностную кутикулу, «рот» и кишечник нематоды, что приводит к ее гибели. Кроме того, Bacillus firmus может быть использована и для борьбы с насекомыми, ведь их тела также покрыты кутикулой.
Вездесущая бактерия Brevibacillus lateosporus, которая часто обнаруживается в почве и непосредственно в ризосфере растений, — еще один штамм, с помощью которого можно бороться с насекомыми-вредителями с/х растений. Brevibacillus за счет своих инсектицидных свойств эффективна против большого числа жесткокрылых, чешуекрылых и двукрылых насекомых (рис. 10). Этот энтомопатогенный вид синтезирует антибиотики, различные хитиназы и токсины. Бóльшая часть этих инсектицидных генов уже найдена и изучена, а значит, мы можем применить методы генной инженерии и, при необходимости, «вставить» интересующие нас гены в другой перспективный штамм [63], [65].
Рисунок 10. Обработка личинок мух бактерией Brevibacillus lateosporus первоначально приводила к их вялости, а в дальнейшем — к разрушению кишечника и смерти. На правой части иллюстрации виден разрыв клеток с высвобождением цитоплазмы в просвет кишечника личинки.
Вирусы на службе у сельского хозяйства
Несмотря на то, что вирусные препараты не являются пробиотиками в классической трактовке этого термина (они не бактерии), мы всё же рассмотрим некоторые примеры их применения.
Использование вирусов в сельском хозяйстве насчитывает уже многие десятилетия. Первое зарегистрированное полевое испытание провели еще в далеком 1935 году: обработка семян кукурузы фагами предотвращала развитие болезни Стюарта (увядания Стюарта), вызываемой бактерией Pantoea stewartii [66].
У «Биомолекулы» есть спецпроект, посвященный антибиотикорезистентности бактерий. Почитайте, например, статью «Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней» [70]. — Ред.
В отличие от антибиотиков, бактериофаги высокоспецифичны, и их использование никак не связано с распространением множественной лекарственной устойчивости среди бактерий.
Человечество пыталось бороться с помощью фаговой терапии со многими опасными возбудителями растений. К сожалению, не все эти попытки были успешными — многие исследования не привели к созданию действенных препаратов. Однако есть и удачные примеры. Так, в 2005 году в Агентстве по охране окружающей среды США был зарегистрирован первый фагосодержащий пестицид AgriPhage TM . Этот биопестицид содержит фаги, используемые для борьбы с болезнями томатов и перцев, вызываемыми бактериями Xanthomonas campestris и Pseudomonas syringae [71].
В растениеводстве используются не только бактериофаги. В индустрии декоративных растений применяется целый ряд вирусов, поражающих растения. Мозаичное инфицирование клеток листьев, плодов или цветков такими вирусами приводит к появлению пятен самых разных цветов и размеров, некоторые из которых интересны селекционерам (рис. 11а и 11б). Неожиданно много сортов декоративных растений обязаны своей ценностью именно вирусам, которые их заражают [72].
Рисунок 11а. Симптомы, вызванные различными вирусами растений. а — Viola sp. пораженная вирусом огуречной мозаики (CMV). б — Колеус, инфицированный CMV. в — Листовая герань, зараженная вирусом разрыва цветка пеларгонии (Pelargonium flower break virus). г — Angelonia sp., инфицированная вирусом разрыва цветка ангелонии (Angelonia flower break virus). д — Новая Гвинея нетерпимая, инфицированная вирусом цветочного разрыва Impatiens (Impatiens flower break virus).
Рисунок 11б. Симптомы, вызванные бегомовирусами (Begomovirus). а — Абутилон, инфицированный вирусом мозаики Абутилона. б — Жимолость, зараженная бегомовирусом. в — Псевдоэрантемум (Pseuderanthemum), инфицированный бегомовирусом. г — Salvia splendens «Танцующее пламя», зараженная вирусом ClGMCNV (Clerodendron golden mosaic China virus). д — S. splendens «Алый шалфей», зараженная ClGMCNV.
Помимо «декоративных» вирусов в некоторых работах были описаны вирусы, улучшающие рост растений, особенно в экстремальных условиях. Такие вирусы могут повышать устойчивость к засухе и заморозкам [73]. Кроме того, штаммы патогенных вирусов с легкими симптомами используются для перекрестной защиты от более тяжелых штаммов: это явление называется стратегией трансгенной устойчивости [73].
Пробиотики для растений: применение и перспективы
Пробиотики для растений уже внедрены в повседневную практику во многих фермерских хозяйствах по всему миру. Сегодня существует целый ряд коммерческих штаммов с самыми разнообразными полезными для растений свойствами. Их можно заказать у различных зарубежных компаний: TRICHODEX, AgroLiquid, Sigma AgriScience.
Рынок пробиотиков для растений в России не отстает от мирового! Он существует на протяжении уже многих десятилетий и активно развивается вместе с увеличением спроса на подобную продукцию от крупных фермеров и рядовых садоводов. В справочнике пестицидов и агрохимикатов 2020 можно найти десятки различных препаратов, достаточно просто указать название штамма в поисковой строке. Например, по запросу Bacillus система выдает ссылки на тридцать препаратов от различных производителей, которые имеют в своем составе различные штаммы этого рода.
Среди российских производителей пробиотиков для растений можно назвать, например, ООО НПФ «Исследовательский центр-17». Эта компания производит комплекс БАВов для растений под коммерческим названием «Фитоп». Например, «Фитоп 8.1» содержит споровую биомассу бактерий Bacillus subtilis DSM 32424, Bacillus amyloliquefaciens ВКПМ В-10642 (DSM 24614) и Bacillus amyloliquefaciens ВКПМ В-10643 (DSM 24615). Использование этого препарата, по обещанию производителя, приводит к улучшению роста, формированию оптимальной корневой системы и защите от различных патогенов.
Другими популярными на отечественном рынке препаратами являются «Азотовит», «Фосфатовит» и «Калийвит» от российской компании «Промышленные инновации». В их основе находятся микроорганизмы, обогащающие почву азотом, фосфатами и калием. Так, в состав «Азотовита» входит культура Azotobacter chroococcum — уже известный нам свободноживущий диазотроф, фиксирующий атмосферный азот и превращающий его в доступную для растений форму.
Другая российская компания, ООО «Бисолби-СК», разработала необычный способ доставки растительных пробиотиков — на микрогранулах органических и минеральных удобрений. В препарате «БисолбиФит»® споры Bacillus subtilis (штамм Ч-13+) и метаболиты, полученные в процессе культивирования штамма и нанесенные на тонкоизмельченный органический кремний. Кремний способствует лучшему обмену азота и фосфора в тканях растений, исполняет важную роль в формировании устойчивости к различным стрессам, в том числе биотическим.
Подводя итог, хочется подчеркнуть, что в сфере растительных пробиотиков нерешенными по-прежнему остаются несколько проблем. Во-первых, способы эффективной инокуляции растений пробиотками не разработаны, либо очень сложны. К примеру, погружение корней (рис. 3 — процедура, о которой мы говорили ранее) требует специального оборудования, а также наличия некоторых знаний и умений для культивирования бактерий, что часто невозможно в условиях ферм. Технологии инокуляции продолжают развиваться, и в ближайшем будущем мы, скорее всего, увидим специальные экспресс-наборы для наработки бактериальной биомассы в полевых условиях, с которыми будет легко обращаться даже непрофессионалу.
Во-вторых, пока не все из известных микробов поддаются генетической модификации. Более того, мы не знаем функций многих генов, из-за чего некоторые метаболические пути и способы их регуляции остаются не расшифрованными, а значит, мы не можем ими эффективно манипулировать. Эту проблему (причем весьма успешно!) продолжает решать фундаментальная наука — в базах данных сейчас находятся сотни тысяч расшифрованных генов.
В-третьих, существует такая проблема, как вытеснение штаммов-пробиотиков более конкурентоспособными природными штаммами. Частично эту проблему можно решить, подбирая пробиотики, эндемичные данному растению, региону и типу почвы.
Применение пробиотиков для растений не подразумевает полный отказ от использования химических удобрений. Отказаться от них мы, вероятнее всего, не сможем никогда, но это и не нужно. Грамотно применяя полезные микроорганизмы, используя методы их генетической модификации и нанотехнологические подходы для улучшения колонизации ими семян и проростков, мы сможем значительно снизить использование химических удобрений, повысить их эффективность, а значит, и уменьшить их пагубное воздействие на здоровье людей и экосистем.