Бульбочкові бактерії були першою за часом групою азотфіксуючих бактерій, про які дізналося людство.

Близько 2000 років тому землероби помітили, що обробіток бобових культур повертає родючість виснаженого ґрунту. Це особливе властивість бобових емпірично пов'язували з наявністю на коренях вони своєрідних вузликів, чи бульбочок, але пояснити причини цього явища тривалий час було неможливо.

Потрібно було провести ще дуже багато досліджень, щоб довести роль бобових культур і бактерій, що живуть на їх корінні, у фіксації газоподібного азоту атмосфери. Але поступово роботами вчених різних країн було розкрито природу та детально вивчено властивості цих чудових істот.

Бульбякові бактерії живуть з бобовими рослинами в симбіозі, тобто приносять один одному взаємну користь: бактерії засвоюють азот з атмосфери і переводять його в сполуки, які можуть бути використані рослинами, а вони, у свою чергу, забезпечують бактерії речовинами, що містять вуглець, який поранення засвоюють із повітря у вигляді вуглекислого газу.

Поза бульбочками на штучних живильних середовищах бульбочкові бактерії можуть розвиватися при температурах від 0 до 35 °, а найбільш сприятливими (оптимальними) для них температури порядку 20-31 °. Найкращий розвиток мікроорганізмів спостерігається зазвичай у нейтральному середовищі (при pH, що дорівнює 6,5-7,2).

У більшості випадків кисла реакція ґрунту негативно позначається на життєдіяльності бульбочкових бактерій, у таких ґрунтах утворюються неактивні або неефективні (що не фіксують азот повітря) їх раси.

Перші дослідники бульбочкових бактерій припускали, що ці мікроби можуть поселятися на коренях у більшості видів бобових культур. Але потім було встановлено, що вони мають певну специфічність, мають свої «смаки» і «знімають» майбутнє «житло» у суворій відповідності до своїх потреб. Та чи інша раса бульбочкових бактерій може вступати у симбіоз із бобовими рослинами лише певного виду.

Нині бульбочкові бактерії поділяють такі групи (по рослинам-господарям, у яких вони поселяються):

• бульбочкові бактерії люцерни та буркуну;
• бульбочкові бактерії конюшини;
• бульбочкові бактерії гороху, вікі, чини та кормових бобів;
• бульбочкові бактерії сої;
• бульбочкові бактерії люпину та сераделли;
• бульбочкові бактерії квасолі;
• бульбочкові бактерії арахісу, вігни, коров'ячого гороху та ін.

Слід сказати, що специфічність бульбочкових бактерій у різних групах буває неоднаковою. Розбірливі «квартирознімачі» іноді втрачають свою педантичність. Якщо бульбочкові бактерії конюшини відрізняються дуже строгою специфічністю, то про бульбочкові бактерії гороху цього сказати не можна.

Здатність до утворення бульбочок властива далеко не всім бобовим, хоча широко поширена у представників цього величезного сімейства. З 12 тис. видів бобових було спеціально вивчено 1063. Виявилося, що 133 з них не здатні утворювати бульби.

Здатність до симбіозу з азотфиксаторами, очевидно, властива як бобовим рослинам, хоча сільському господарстві є єдиними важливими азотфиксирующими культурами. Як встановлено, атмосферний азот пов'язують бактерії, що живуть у бульбах на коренях лоха, обліпихи, шефердії, променистої сосни, ногоплодника, їжаки збірної, субтропічних рослин роду казуарину. Здатні до фіксації азоту та бактерії, що живуть у вузлах листя деяких тропічних чагарників.

Фіксацію азоту здійснюють також актиноміцети, що живуть у бульбах коренів вільхи, і, можливо, гриби, що живуть у коренях райграсу та деяких вересових рослин.

Але для сільського господарства найбільший практичний інтерес становлять, звісно, ​​бобові. Більшість зазначених небобових рослин сільськогосподарського значення немає.

Дуже важливе для практики питання: як живуть бульбочкові бактерії у ґрунті до зараження ними коренів?

Виявляється, бульбочкові бактерії можуть дуже довго зберігатися у ґрунті за відсутності «господарів» - бобових рослин. Наведемо такий приклад. У Московській сільськогосподарській академії імені К. А. Тімірязєва є поля, закладені ще Д. Н. Прянішниковим. На них з року в гол обробляються ті самі сільськогосподарські культури і зберігається незмінна пара, на якій протягом майже 50 років не вирощувалися жодні рослини. Аналіз ґрунтів цієї пари і поля беззмінного жита показав, що в них у значних кількостях виявляються бульбочкові бактерії. Під беззмінним житом їх трохи більше, ніж у пару.

Отже, бульбочкові бактерії порівняно благополучно переживають відсутність бобових рослин і можуть дуже довго чекати на зустріч з ними. Але в цих умовах вони втрачають свою чудову властивість фіксувати дзот. Однак бактерії із «задоволенням» припиняють «вільний спосіб життя», як тільки на їхньому шляху трапляється відповідна бобова рослина, вони відразу ж проникають у коріння і створюють свої будиночки-клубеньки.

У складному процесі утворення бульбочок беруть участь три фактори: два живі організми - бактерії та рослини, між якими встановлюються тісні симбіотичні взаємини, та умови зовнішнього середовища. Кожен із цих факторів – активний учасник процесу утворення бульбочок.

Одна з важливих особливостей бульбочкових бактерій полягає в їх здатності виділяти звані стимулюючі речовини; ці речовини викликають бурхливе розростання тканин кореня.

Інша їх суттєва особливість здатність проникати в коріння певних рослин і викликати утворення бульбочок, інакше кажучи їх інфекційна здатність, яка, як уже говорилося, різна у різних рас бульбочкових бактерій.

Роль бобової рослини в утворенні бульбочок визначається здатністю рослин виділяти речовини, що стимулюють або пригнічують розвиток бактерій.

Великий вплив на сприйнятливість бобової рослини до зараження бульбочковими бактеріями надає вміст у його тканинах вуглеводів та азотистих речовин. Велика кількість вуглеводів у тканинах бобової рослини стимулює утворення бульбочок, а підвищення вмісту азоту, навпаки, пригнічує цей процес. Таким чином, що вище в рослині співвідношення C/N, то краще йде розвиток бульбочок.

Цікаво, що азот, що міститься в тканинах рослини, хіба що заважає впровадженню азоту-«прибульця».

Третій фактор - зовнішні умови (освітлення, елементи живлення і т. д.) також значно впливає на процес утворення бульбочок.

Але повернемося до характеристики окремих видів бульбочкових бактерій.

Інфекційна здатність, або здатність до утворення бульбочок, не завжди ще говорить про те, наскільки активно бульбочкові бактерії фіксують азот атмосфери. «Працездатність» бульбочкових бактерій у зв'язуванні азоту називають частіше їхньою ефективністю. Чим вище ефективність, тим більше коефіцієнт корисної дії етик бактерій, тим цінніші вони для рослини, а значить і для сільського господарства взагалі.

У ґрунті виявляються раси бульбочкових бактерій ефективні, неефективні та перехідні між цими двома групами. Зараження бобових рослин ефективною расою бульбочкових бактерій сприяє активній фіксації азоту. Неефективна раса викликає утворення бульбочок, але азотфіксації в них не відбувається, отже, марно витрачається будівельний матеріал, рослина «дарма» годує своїх «постояльців».

Чи є відмінності між ефективними та неефективними расами бульбочкових бактерій? Досі таких відмінностей у формі чи поведінці на штучних живильних середовищах не вдалося знайти. Але у бульбочок, утворених ефективними та неефективними расами, виявляються деякі відмінності. Існує, наприклад, думка, що ефективність пов'язана з обсягом заражених бактеріями тканин кореня (у ефективних рас вона в 4-6 разів більша, ніж у неефективних) та тривалістю функціонування цих тканин. В інфікованих ефективними бактеріями тканинах завжди виявляються бактероїди та червоний пігмент, цілком тотожний гемоглобіну крові. Його називають леггемоглобном. Неефективні бульбашки мають менший обсяг інфікованої тканини, у них відсутній леггемоглобін, бактероїди виявляються не завжди і виглядають інакше, ніж у ефективних бульбочках.

Ці морфолого-біохімічні відмінності використовують для виділення ефективних рас бульбочкових бактерій. Зазвичай бактерії, виділені з великих, добре розвинених бульбочок, що мають рожеве забарвлення, бувають дуже ефективними.

Вище говорилося, що «робота» бульбочкових бактерій та її «коефіцієнт корисної дії» залежить від низки зовнішніх умов: температури, кислотності середовища (pH), освітлення, постачання киснем, вмісту у грунті поживних елементів тощо.

Вплив зовнішніх умов на фіксацію бульбочковими бактеріями атмосферного азоту можна показати на кількох прикладах. Так, значну роль в ефективності азотфіксації відіграє вміст у ґрунті азотнокислих та аміачних солей. У початкових фазах розвитку бобової рослини та утворення бульбочок присутність у ґрунті невеликих кількостей цих солей сприятливо впливає на симбіотичне співтовариство; а потім ця кількість азоту (особливо нітратної його форми) пригнічує азотфиксацию.

Отже, чим багатший грунт доступним для рослини азотом, тим слабше протікає фіксація азоту. Азот, що міститься в грунті, так само як і рослини, що перебуває в тілі, хіба що перешкоджає залученню нових його порцій з атмосфери. Серед інших елементів живлення помітний вплив на азотфіксацію має молібден. При додаванні в ґрунт цього елемента азоту накопичується більше. Пояснюється це, мабуть, тим, що молібден входить до складу ферментів, які здійснюють фіксацію атмосферного азоту.

В даний час достовірно встановлено, що бобові, що вирощуються у ґрунтах, що містять недостатню кількість молібдену, розвиваються задовільно та утворюють бульби, але зовсім не засвоюють атмосферний азот. Оптимальна кількість молібдену для ефективної азотфіксації становить близько 100 г натрію молібдату на 1 га.

Роль бобових культур у підвищенні родючості ґрунту

Отже, бобові культури мають дуже велике значення підвищення родючості грунту. Накопичуючи азот у ґрунті, вони перешкоджають виснаженню його запасів. Особливо велика роль бобових у тих випадках, коли вони використовуються на зелені добрива.

Але практиків сільського господарства, звісно, ​​цікавить і кількісна сторона. Яка кількість азоту може бути накопичена у ґрунті при культивуванні тих чи інших бобових рослин? Скільки азоту залишається у ґрунті, якщо врожай повністю забирається з поля або якщо бобові заорюють як зелене добриво?

Відомо, що у разі зараження бобових ефективними расами бульбочкових бактерій вони можуть пов'язувати від 50 до 200 кг азоту на гектар посіву (залежно від ґрунту, клімату, виду рослини тощо).

За даними відомих французьких учених Пошона та Де Бержака, у звичайних польових умовах бобові культури фіксують приблизно такі кількості азоту (в кг/га):

Кореневі залишки однорічних та багаторічних бобових рослин у різних умовах культури та на різних ґрунтах містять різні кількості азоту. У середньому люцерна щорічно залишає у ґрунті близько 100 кг азоту на гектар. Конюшина і люпин можуть накопичити в ґрунті приблизно по 80 кг зв'язаного азоту, однорічні бобові залишають у ґрунті до 10-20 кг азоту на гектар. Враховуючи площі, зайняті в СРСР бобовими, радянський мікробіолог Є. Н. Мішустін підрахував, що вони повертають полям нашої країни щорічно близько 3,5 млн. т азоту. Для порівняння вкажемо, що вся наша промисловість у 1961 році виробила 0,8 млн. т азотних добрив, а в 1965 році дасть 2,1 млн. т. Таким чином, азот, який видобувається з повітря бобовими в симбіозі з бактеріями, посідає провідне місце у азотному балансі землеробства нашої країни.

331. Яке пристосувальне значення для бактерій має процес утворення суперечки?
А) Спосіб розмноження.
В) Спосіб харчування.
+С) Спосіб переживання несприятливих умов.
D) Спосіб поділу клітин.
Е) Спосіб поширення.

332. Які бактерії є автотрофними?
А) Бактерії молочнокислого бродіння.
В) Болючої бактерії.
C) азотобактерії.
+ D) Серобактерії.
Е) Металоутворюючі бактерії.

334. Для яких бактерій характерне безкисневе дихання?
+А) Бактерії бродіння.
В) Бульбякові бактерії.
С) Бактерії гниття.
D) ціанобактерій.
Е) Патогенні бактерії.

335. Які бактерії живуть у симбіозі з бобовими рослинами?
A) Бактерії гниття.
В) Сіробактерії.
+С) Бульбякові бактерії.
D) Хвороботворні бактерії.
Е) Маслянокислі бактерії.

336. Завдяки чому бактерії живуть у найнесприятливіших екстремальних умовах існування?
+А) Висока здатність до розмноження.
В) Спрощена організація структури білка.
С) Примітивна будова тіла.
D) Досконалість організації.
Е) Швидший рух.

337. Як називається тіло гриба?
А) Аркуш.
В) Таллом.
+С) Грибниця.
D) Словник.
Е) Стебло.

338. З яких компонентів складається вегетативне тіло гриба?
А) З нитчастих водоростей.
+В) З тонких ниток, що гілкуються, — гіфа.
С) Зі слані.
D) З відмерлих клітин.
Е) З джгутиків.

341. Які бактерії перетворюють перегній ґрунту на мінеральні речовини?
А) Бактерії гниття.
В) Молочнокислі бактерії.
С) Бульбякові бактерії.
+ D) Ґрунтові бактерії.
Е) Синьо-зелені бактерії.

342. Які бактерії перетворюють відмерлі організми на перегній?
+A) Бактерії гниття.
В) Молочнокислі бактерії.
С) Бульбякові бактерії.
D) Ґрунтові бактерії.
Е) Синьо-зелені бактерії.

343. Який спосіб харчування характерний для грибів?
А) Хемотрофний.
В) Фототрофний.
+С) Гетеротрофний.
D) Автотрофний
Е) Спосіб заковтування їжі.

344. Які гриби суперечки утворюються на плодовому тілі?
A) Мукор.
В) Пеніцилл.
С) Плісневі.
+D) Капелюшкові.
Е) Трутовики.

345. До якої групи належать гриби?
а) Прокаріоти.
+В) Еукаріоти.
C) Фототрофи.
D) Хемотрофи.
Е) Немає правильної відповіді.

347. Який спосіб розмноження переважає у життєвому циклі грибів?
+A) Безстатевий.
В) Статевий,
З) Вегетативний.
D) Гамет.
Е) З заплідненням.

348. Які гриби живуть у симбіозі з корінням дерев?
А) Дріжджі.
B) Спорини.
С) Трутовик.
+D) Підберезник.
Е) Біла пліснява.

349. Який організм утворюється при симбіозі водоростей та грибів?
А) Бурі водорості.
+В) Лишайник.
З) Мох.
D) Папороть.
Е) Зелені водорості.

350. Що отримує гриб від водоростей у симбіозі, що зветься лишайником?
а) Воду.
+В) Вуглеводи.
С) Повітря.
D) Мінеральні речовини.
Е) Жири.

351. Що отримують водорості від грибів у симбіозі, що зветься лишайником?
А) Органічні речовини.
В) Вуглеводи.
С) Повітря.
+D) Мінеральні речовини, воду.
Е) Жири

352. Який спосіб розмноження характерний для лишайника як єдиного організму?
+А) Вегетативний.
В) Статевий.
С) Безстатевий.
D) Гамет.
Е) брунькування.

354. Які з перерахованих організмів до складу клітини входять: ядро, цитоплазма, рибосоми, вакуолі, а клітинна стінка складається з хітину?
А) бактерії.
В) Водорості.
+С) Гриби.
D) Рослини.
Е) Віруси.

355. Де зустрічаються бактерії?
А) Тільки у воді.
В) Тільки у ґрунті.
С) Тільки у повітрі.
+D) Скрізь.
Е) На рослинних та тваринних організмах.

356. У яких місцях є найменша кількість бактерій?
А) У ґрунті.
В) У повітрі великих міст.
С) У воді.
+D) У повітрі високо в горах.
Е) У деяких промислових приміщеннях.

357. Деякі бактерії мають джгутики, за допомогою яких вони … (Закінчіть фразу).
А) Харчуються.
В) Розмножуються.
+С) Рухаються.
D) Орієнтуються у просторі.
Е) Розрізняють світло та темряву.

358. З якою метою пристосовано утворення спор у бактерій?
А) Розмноження.
В) Розповсюдження.
З) Накопичення запасу поживних речовин.
+D) Виживання у несприятливих умовах.
Е) Утворення капсул.

Для організмів роду Rhizobium характерна поліморфність, тобто форми бактерій дуже різноманітні. Дані мікроорганізми можуть бути рухомими та нерухомими, мати форму кока або палички, ниткоподібну, овальну. Найчастіше молоді прокаріоти мають паличкоподібну форму, яка зі зростанням та віком змінюється за рахунок накопичення поживних речовин та знерухомлення. У своєму мікроорганізмі проходить кілька стадій, про які можна судити за його зовнішнім виглядом. Спочатку це форма палички, потім так званої "обперезаної палички" (має пояски з жировими включеннями) і, нарешті, бактеріод - велика нерухома клітина неправильної форми.

Бульбякові бактерії мають специфічність, тобто вони здатні поселятися тільки в

певної групи чи виду рослин. Ця властивість у мікроорганізмів сформувалося генетично. Також важливою є й ефективність – здатність накопичувати атмосферний азот у достатній кількості для своєї рослини-господаря. Ця властивість не є постійною і може змінюватися через умови проживання.

Про те, як бульбочкові бактерії потрапляють у корінь, немає єдиної думки, проте існує низка гіпотез про механізм їхнього проникнення. Так, деякі вчені вважають, що прокаріоти впроваджуються в корінь через пошкодження його тканин, інші говорять про проникнення через кореневі волоски. Також існує ауксинна гіпотеза - припущення про клітини-супутники, які допомагають бактеріям впроваджуватися в клітини кореня.

Саме впровадження відбувається у дві фази: спершу - інфікування кореневих волосків, потім - утворення бульбочок. Тривалість фаз різна залежить від конкретного виду рослини.

Значення бактерій, які здатні фіксувати азот, велике для сільського господарства, оскільки саме ці організми можуть підвищувати врожайність. З цих мікроорганізмів готують яке використовують для обробки насіння бобових, що сприяє більш швидкому інфікуванню коренів. Різні види при посадці навіть на бідних ґрунтах не вимагають додаткового внесення азотних добрив. Так, 1 га бобових «в роботі» з бульбочковими бактеріями протягом року переводить у зв'язаний стан 100-400 кг азоту.

Таким чином, бульбочкові бактерії – симбіотичні організми, які дуже важливі не тільки в житті рослини, а й

Вологість ґрунту.Оптимальною у розвиток бульбочок є вологість – близько 70% НВ. Мінімальна вологість, при якій ще можливий розвиток бульбочкових бактерій у ґрунті, приблизно дорівнює 16% від повної вологоємності. При вологості нижче цієї межі бульбочкові бактерії зазвичай не розмножуються, але й не гинуть, а можуть довго зберігатися в неактивному стані.

Температура.Оптимальна температура розвитку бобових рослин, утворення бульб і азотфіксація не збігається. Утворення бульбочок може відбуватися при температурі трохи вище 0°С, азотфіксація лише при 10°З вище. Максимальна азотафіксація ряду бобових рослин спостерігається за 20-25°С.

Реакція ґрунтудуже впливає на життєдіяльність бульбочкових бактерій і утворення бульбочок. Для утворення бульбочок потрібне слабокисле або нейтральне середовище. При рН-3,5 гинуть бактерії всіх штамів Rhizobium.

Застосування нітрагіну.Для посилення освіти та діяльності азотфіксуючих бактерій велике значення має зараження насіння зернових бобових чистою культурою бульбочкових бактерій (нітрагін).

Активізуючи діяльність бульбочкових бактерій, покращує азотне харчування рослин мікроелемент молібден. Він входить до складу нітру-тредуктази - ферменту, що впливає на інтенсивність азотфіксації. Якщо в грунті молібдену мало (менше 0,15 мг на 1 кг грунту), то ефективність застосування його може бути дуже високою. Знижує ефективність молібдену вапнування, оскільки воно переводить молібден ґрунту у доступну для рослин форму. Підвищується ефективність молібдену та нітрагіну при спільному їх застосуванні у передпосівній обробці насіння.

Особливості збирання зернових бобових культур.Для рослин з стеблами, що полегають (горох, віка, чину) більш прийнятна двофазна прибирання, а для нелеглих рослин (люпин, нут, боби) — двофазна і однофазна. У зволожених районах найкращі результати одержують при однофазному прибиранні. Скошують зернові бобові на нижчому зрізі, ніж зернові хліба, а при обмолоті зменшують частоту обертання барабана до 450-460 оборотів на хвилину, щоб уникнути подрібнення насіння.

Питання самоперевірки

1.Роль зернових бобових культур у народному господарстві країни.

2.Фази зростання та розвитку зернобобових культур.

3. Відмінні ознаки зернобобових культур за насінням, сходами, листям, стеблами та плодами.

4. Загальні біологічні особливості зернобобових культур.

5.Роль бульбочкових бактерій бобових культур у підвищенні родючості грунту у Північному Казахстані.

Література

1 Рослинництво// Під ред. академіка ВАСГНІЛ П.П.Вавілова - М., Агропроміздат, 1986.

2 Арінов К.К., Шестакова Н.А. «Рослинництво Північного Казахстану». Астана, 2009р.

3 Арінов К.К., Мусинів К.М., Апушев А.К., Серекпаєв Н.А., Шестакова Н.А., Арістангулов С.С. Рослинництво (на каз.яз.). Алмати, 2011.

4 Коренєв Г.В. Рослинництво з основами селекції та насінництва: підручник та навч. посібник/Г.В. Коренєв, П.І. Підгірний, С.М. Щербак; за ред. Г.В. Коренєва. - М.: Агропроміздат, 1990. - 575 с

5 Чорноголовін В.П. Бобові культури у Казахстані. А-Ата, Кайнар, 1976.

6 Шпаар Д. Зернобобові культури/Д. Шпаар, Ф. Елмер, Г. Таранухо та ін; за ред. Д. Шпаара. - Мн.: ФУАінформ, 2000. - 263с.

Попередня123456789101112Наступна

ПОДИВИТИСЯ ЩЕ:

Поряд з грибами деякі рослини вступають у симбіотичні стосунки з азотфіксуючими бактеріями хоча це явище зустрічається набагато рідше, ніж мікориза.

Азот міститься в багатьох органічних сполуках, тому всі живі організми потребують регулярного надходження його ззовні. Попри те що більшість атмосфери складається з азоту, його дефіцит зустрічається повсюдно.

Це тому, що у молекулі азоту атоми пов'язані між собою дуже міцними ковалентними зв'язками, які дуже важко розірвати. Тому молекулярний азот абсолютно недоступний для еукаріотичних організмів і вони потребують більш доступних його сполук. Деякі ж прокаріоти завдяки наявності у них особливого nif-гену (що контролює синтез ферменту нітрогенази) мають здатність фіксувати атмосферний азот (докладніше про це розказано в розділі, присвяченому метаболічним процесам у мікробній клітині).

Такі мікроорганізми мають різний ступінь свободи, у зв'язку з чим їх ділять на вільно-живучі та симбіотичні.

До першої групи відносять, зокрема, анаеробні бактерії клостридії (Clostridium) та аеробні – азотобактер (Azotobacter), які мешкають у ґрунті.

Окремі фотосинтезуючі бактерії та синьо-зелені водорості (які також є прокаріотами) сполучають процес азотфіксації з фотосинтезом.

З симбіотичних азотфіксуючих бактерій найбільш відомі представники роду ризобіум (Rhizobium) (грец.

rhiza - корінь і bios - життя - у їх назві дуже доречно поєднуються слова "корінь" і "життя", тобто. життя на корені).

Вони утворюють бульби на коренях бобових, у зв'язку з чим їх ще називають бульбочковими бактеріями (178). Таке співжиття виявляється надзвичайно корисним для обох симбіонтів, при якому гетеротрофні бактерії одержують від рослини необхідні їм органічні речовини, а самі фіксують атмосферний азот і передають його кореню у вигляді легкозасвоюваних для рослин сполук.

Бульбякові бактерії роду Rhizobium вибірково інфікують лише представників сімейства бобових, причому одні з них заражають лише певний вид, інші одразу кілька.

Для цих бактерій властиво дивовижна морфологічна різноманітність. Серед них зустрічаються паличкоподібні, овальні, кокоподібні форми. Вони можуть бути рухомими чи нерухомими.

Процес зараження кореня бактеріями вивчений ще недостатньо і загалом виглядає так. Бактерії проникають у корінь через вкриту кореневими волосками зону всмоктування (). Реакцію впізнавання забезпечує білок лектин, що розташовується на поверхні клітин ризодерми та бактерій.

Незважаючи на те, що в тканину кореня можуть проникати окремі бактерії, принципово важливим фактором є щільність життєздатних мікроорганізмів у прикореневій зоні. Вважають, що для нормального зараження необхідно 500 - 1000 бактерій у рослин з дрібним насінням і щонайменше 70 000 у рослин з великим насінням. Крім того, на процес суттєво впливають фактори довкілля. Оптимальною вологістю вважається 60 - 70% максимальної вологоємності ґрунту, зменшення вологості призводить до припинення розмноження бульбочкових бактерій і робить їх неактивними.

Ті ж клубочки, які вже сформувалися, відмирають. Перезволоження призводить до погіршення аерації, що пригнічує розмноження бактерій. Мінімальна температура, за якої відбувається формування бульбочок, може бути дуже невисокою, але при цьому фіксація азоту не здійснюється.

Цей процес починається з 10°С вище за нуль, досягає свого максимуму при 25С і гальмується при температурах вище 30С. Зараженню також перешкоджає високий вміст сполук азоту у навколишньому корені грунту.

Спочатку бактерії розмножуються на поверхні кореня, причому необхідні для життєдіяльності речовини вони одержують із виділень кореня, а також із загиблих клітин кореневого чохлика та кореневих волосків.

Бактерії можуть впроваджуватися в тканину кореня через пошкодження на поверхні органу, але основним шляхом проникнення є кореневі волоски. Бульбякові бактерії переробляють триптофан, який виділяється кореневими волосками, на фітогормон гетероауксин, що призводить до викривлення кореневих волосків.

Незважаючи на відсутність необхідних ферментів, бактерії розм'якшують стінки волосків, роблячи їх більш проникними, і в результаті впроваджуються всередину кореневого волоска. Проникати можуть як одиночні клітини (люпин), так і цілі групи. Цікаво, що, хоча деформується багато волосин, зараженню піддаються лише деякі з них (в середньому 0,6 - 3,2% їх загального числа). Після проникнення бактеріальні клітини починають активно розмножуватися, що призводить до утворення колонії, яка у вигляді ниток пронизує тканини кореня.

Такі колонії отримали назву інфекційних ниток і складаються з бактероїдів - бактеріальних клітин, що мають дуже різноманітну форму (сферичну, грушоподібну або розгалужену), причому їх обсяг перевищує вихідну бактеріальну клітину приблизно в 10-40 разів.

Формування кореневих бульбочок здійснюється двома способами - ендогенно та екзогенно.

Спочатку під впливом речовин, що виділяють інфекційні нитки, посилено діляться клітини, розташовані на відстані 2-3 клітинних шарів від ниток, у результаті формується вторинна меристема. Це призводить до утворення первинної бульби, в клітинах якої бактерії ще відсутні.

У цей час інфекційні нитки все глибше проникають у тканини кореня, причому вони поширюються як міжклітинниками (інтерцелюлярно), так і проходячи крізь клітини (інтрацелюлярно).

Багаторазово розгалужуючись, нитки часто утворюють химерні постаті.

Наступним етапом є вихід бактерій з інфекційних ниток у цитоплазму рослинних клітин.

Тут бактерії активно розмножуються і заповнюють значну частину обсягу цитоплазми клітини-господаря, не проникаючи при цьому в ядро ​​та вакуолі. Присутність мікроорганізмів стимулює мітотичні поділки, причому не лише інфікованих клітин, а й клітин, розташованих поблизу.

Як тільки рослинна клітина майже повністю наповниться бактеріями, вона перестає ділитися, але сильно збільшується, перевершуючи в розмірах звичайну клітину в кілька разів. У результаті утворюється бактероїдна тканина, що складається з заражених і незаражених клітин. Слід зазначити, що, незважаючи на назву, у бактероїдній тканині присутні не бактероїди, а типові бактерії. Цей процес досить тривалий, особливо в багаторічних рослин.

Після цього молодий бульба збільшує свої розміри, поверхневий шар його клітин утворює ендодерму бульба (180). Сам він округляється і зі зростанням розриває покривну тканину кореня.

У зрілому бульбочці виділяють чотири зони: кора, меристема, бактероїдна тканина та провідні елементи, які забезпечують зв'язок кореневої бульбочки з усією рослиною та здійснюють взаємний обмін речовинами.

Безпосередньо фіксація азотукаталізується ферментом нітрогеназою, який містить залізо та молібден.

Активність генів, керуючих синтезом цього ферменту, пригнічується аміаком чи іншими сполуками азоту, які у навколишньому середовищі, що у агрономічної практиці призводить до деяким труднощам. Нітрогеназа дестабілізує молекулу азоту, після чого ферредоксин відновлює її до аміаку.

Ці реакції потребують енергії, яку постачає рослинний організм у вигляді АТР (про джерело цієї сполуки докладно розказано у розділах, присвячених основним реакціям тканинного обміну та фотосинтезу).

Усі реакції фіксації азоту блокуються навіть невеликими концентраціями кисню, але рослинні клітини є аеробами і присутній у яких кисень мігрує всередину азотфиксирующих бактерій. Однак у них присутній червонуватий пігмент - леггемоглобін (легогоглобін), який за аналогією з гемоглобіном тварин здатний тимчасово зв'язуватися з киснем, відокремлюючи тим самим його від нітрогенази. Через свою токсичність аміак, що утворився в результаті фіксації молекулярного азоту, не накопичується в рослинній клітині, а вступає в реакцію з кетоглутаровой кислотою і утворює глутамінову кислоту, та, у свою чергу, піддаючись реакціям переамінування, є джерелом інших амінокислот, які йдуть на білків.

Тривалість функціонування бульб у різних рослин неоднакова.

У багаторічників вони живуть протягом кількох років, періодично змінюючи активність – функціонують протягом вегетаційного періоду та частково деградують у період зимового спокою. У однорічних бобових бульбочок функціонують відносно недовго і з початку цвітіння поступово відмирають. Цей процес можна на якийсь час призупинити, якщо штучно на ранніх етапах видалити квіти.

При цьому частина бактерій відмирає, але деякі трансформуються у дрібні кокоподібні артроспори, і в такому стані вони мігрують у навколишнє середовище.

Азотфіксуючі бактеріїзабезпечують легкодоступними сполуками азоту як рослина-господаря, а й у подальшому значно збагачують ними грунт (наприклад, люцерна може протягом року накопичити до 600 кг N/га, тому бобові часто використовують із цією метою в сівозміні).

Бобові є найбільш відомими, але далеко не єдиними рослинами, здатними вступати в симбіотичні взаємини з прокаріотами, що фіксують азот.

Кореневі бульбочки утворюються на коренях деяких голонасінних, наприклад саговників, гінкгових та хвойних, хоча природа інфекції досліджена не до кінця. Трава Digitaria, що росте в тропіках, вступає в слабку асоціацію з азотфіксуючими бактеріями з роду Spirillum, бактерії тут не утворюють бульбочок, але розташовуються в безпосередній близькості від коренів і взаємообмінюються з ними речовинами.

У симбіоз з мікроорганізмами вступають близько двохсот вищих рослин з різних сімейств, зокрема вільха, обліпиха, мучниця, деякі злаки. У багатьох рослин клубеньки утворюються не так на коренях, але в листі, але це обговорюватиметься пізніше.

Інфікування бобової рослини бульбочковими бактеріями.

Для забезпечення нормального процесу інфікування кореневої системи бульбочковими бактеріями потрібна наявність досить великої кількості життєздатних клітин бактерій у прикореневій зоні.

Думки дослідників щодо кількості клітин, необхідні забезпечення процесу інокуляції, різні. Так, за даними американського вченого О. Аллена (1966), для інокуляції дрібнонасінних рослин потрібно 500-1000 клітин, для інокуляції великонасіннєвих - не менше 70 000 клітин на 1 насіння.

На думку австралійського дослідника Дж. Вінцента (1966), у момент інокуляції на кожне насіння має припадати принаймні кілька сотень життєздатних та активних клітин бульбочкових бактерій.

Є дані, що у тканину кореня можуть впроваджуватися і поодинокі клітини.

При розвитку кореневої системи бобової рослини розмноження бульбочкових бактерій лежить на поверхні кореня стимулюється виділеннями кореня. Продукти руйнування кореневих чохликів та волосків відіграють також важливу роль у забезпеченні бульбочкових бактерій відповідним субстратом.

У ризосфері бобової рослини різко стимулюється розвиток бульбочкових бактерій, для злакових рослин такого явища немає.

На поверхні кореня є шар слизової речовини (матриця), що утворюється незалежно від наявності у ризосфері бактерій.

Цей шар добре видно при дослідженні у світлооптичному мікроскопі (рис. 147). Бульбякові бактерії після інокуляції зазвичай спрямовуються до цього шару і накопичуються в ньому (рис. 148) внаслідок стимуляційного ефекту кореня, що проявляється навіть на відстані до 30 мм.

,

У цей період, що передує впровадженню бульбочкових бактерій у тканину кореня, бактерії у ризосфері надзвичайно рухливі.

У ранніх роботах, в яких для досліджень використовувався світловий мікроскоп, бульбочковим бактеріям, що знаходяться в зоні ризосфери, було дано назву швермерів (гонідій або зооспор) - "рояться". За допомогою методу Фереуса (1957) можна спостерігати утворення надзвичайно швидко рухомих колоній швермерів в області кінчика кореня та кореневих волосків. Колонії швермерів існують дуже короткий час менше доби.

Про механізм проникненнябульбочкових бактерій у корінь рослини існує низка гіпотез.

Найцікавіші їх наступні. Автори однієї з гіпотез стверджують, що бульбочкові бактерії проникають у корінь через пошкодження епідермальної та корової тканини (особливо у місцях відгалуження бічних коренів). Ця гіпотеза була висунута на підставі досліджень Бріля (1888), що викликав утворення бульбочок у бобових рослин шляхом проколювання коренів голкою, зануреної попередньо в суспензію бульбочкових бактерій.

Як окремий випадок такий шлях впровадження цілком реальний. Наприклад, у арахісу бульбочки переважно розташовуються в пазухах відгалужень коренів, що наводить на думку про проникнення бульбочкових бактерій у корінь через розриви при проростанні бічних коренів.

Цікава і не позбавлена ​​підстав гіпотеза про проникнення бульбочкових бактерій у тканину кореня через кореневі волоски.

Шлях проходження бульбочкових бактерій через кореневі волоски визнає більшість дослідників.

Дуже переконливим є припущення П. Дарта і Ф. Мерсера (1965) про те, що бульбочкові бактерії впроваджуються в корінь у вигляді дрібних (0,1-0,4 мкм) коккоподібних клітин через проміжки (0,3-0,4 мкм) целюлозної. фібрилярної мережі первинної оболонки кореневих волосків

Електронно-мікроскопічні фотографії (рис. 149) поверхні кореня, отримані методом реплік, та факт дрібніння клітин бульбочкових бактерій у ризосфері бобових рослин підтверджують це положення.

Не виключено, що бульбочкові бактерії можуть проникати в корінь через епідермальні клітини молодих верхівок кореня.

На думку Пражмовського (1889), бактерії можуть проникати в корінь тільки через молоду клітинну оболонку (кореневих волосків або епідермальних клітин) і зовсім не здатні долати хімічно змінений шар шару кори.

Цим можна пояснити, що клубеньки зазвичай розвиваються на молодих ділянках головного кореня і бічних коренях, що з'являються.

Останнім часом велику популярність набула ауксинна гіпотеза. Автори цієї гіпотези вважають, що бульбочкові бактерії проникають у корінь завдяки стимуляції синтезу (ОІ-індолілоцтової кислоти (гетероауксину) з триптофану, що є завжди в кореневих виділеннях рослин.

З наявністю гетероауксину зв'язується викривлення кореневих волосків, яке зазвичай спостерігається при інфікуванні кореневої системи бульбочковими бактеріями (рис. 150).

Джерелом ОІ-індолілоцтової кислоти в момент інфікування рослини, очевидно, служать не тільки рослини, що виділяють через кореневу систему триптофан, який багато видів бактерій, у тому числі і бульбочкові, можуть переводити в ОІ-індолілоцтової кислоти.

Самі бульбочкові бактерії, а можливо, й інші види ґрунтових мікроорганізмів, що живуть у зоні кореня, також можуть брати участь у синтезі гетероауксину.

Однак приймати беззастережно ауксинну гіпотезу не можна. Дія гетероауксину неспецифічна і викликає викривлення кореневих волосків у різних видів рослин, а не лише бобових.

У той самий час бульбочкові бактерії викликають викривлення кореневих волосків лише в бобових рослин, виявляючи у своїй досить значну вибірковість. Якби аналізований ефект визначався тільки ОІ-індолілоцтової кислотою, то такої специфіки не було б. Крім того, характер змін кореневих волосків під впливом бульбочкових бактерій дещо інший, ніж під впливом гетероауксину.

Слід зазначити, що у окремих випадках інфікуванню піддаються невикривлені кореневі волоски.

Спостереження показують, що у люцерни та гороху викривляються та закручуються 60-70% кореневих волосків, а у конюшини – близько 50%. У деяких видів конюшини ця реакція відзначається не більше ніж у 1/4 частини волосків, що заражаються. У реакції викривлення, очевидно, має велике значення стан кореневої волосинки.

Кореневі волоски, що ростуть, найбільш чутливі до дії речовин, що виробляються бактеріями.

Відомо, що бульбочкові бактерії викликають розм'якшення стінок кореневих волосків. Однак ні целюлази, ні пектинолітичних ферментів вони не утворюють.

У зв'язку з цим було висловлено припущення, що бульбочкові бактерії проникають у корінь завдяки виділенню ними слизу полісахаридної природи, що викликає синтез рослин ферменту полігалактуронази. Цей фермент, руйнуючи пектинові речовини, впливає на оболонку кореневих волосків, роблячи її більш пластичною та проникною. У невеликих кількостях полігалактуроназа завжди є в кореневих волосках і, очевидно, викликаючи часткове розчинення відповідних компонентів оболонки, дозволяє клітині розтягуватися.

Деякі дослідники вважають, що бульбочкові бактерії проникають у корінь завдяки бактеріям-супутникам, які продукують пектинолітичні ферменти.

Ця гіпотеза була висунута на підставі таких фактів. При мікроскопуванні кореневих волосків багато дослідників відзначали наявність світлої плями, біля якої накопичуються бульбочкові бактерії. Ця пляма, можливо, є ознакою початку мацерації (руйнування) тканини протопектиназою за аналогією з такою самою ознакою, що спостерігається у рослин при багатьох бактеріальних захворюваннях. Крім того, встановлено, що авірулентні культури бульбочкових бактерій у присутності бактерій, що продукують пектинолітичні ферменти, стають здатними проникати в корінь.

Слід зазначити ще одну гіпотезу, за якою бульбочкові бактерії потрапляють у корінь при утворенні пальцеподібного вп'ячування поверхні кореневої волоски.

На електроннограмі зрізу кореневої волосинки, що підтверджує цю гіпотезу (рис. 150, 3), видно вигнуту у вигляді ручки парасольки кореневу волосину, у вигині якої знаходиться скупчення бульбочкових бактерій. Бульбякові бактерії хіба що втягуються (ковтаються) кореневим волоском (подібно до піноцитозу).

Гіпотеза інвагінації, по суті, не може бути відокремлена від ауксинної або ферментативної гіпотези, оскільки інвагінація відбувається внаслідок впливу або ауксинного або ферментного фактора.

Процес застосування бульбочкових бактерій у тканину кореня однаковий у всіх видів бобових рослин і складається з двох фаз.

У першу фазу відбувається інфікування кореневих волосків. У другу фазу інтенсивно йде процес утворення бульбочок.

Тривалість фаз різна у різних видів рослин: Trifolium fragiferum перша фаза триває 6 днів, Trifolium nigrescens — 3 дні.

У деяких випадках дуже важко виявити межі між фазами.

Найбільш інтенсивне впровадження бульбочкових бактерій у кореневі волоски відбувається на ранніх етапах розвитку рослини. Друга фаза закінчується в період масового утворення бульб. Нерідко впровадження бульбочкових бактерій у кореневі волоски триває вже й після того, як бульбочки сформувалися на корінні. Ця так звана надлишкова чи додаткова інфекція відбувається тому, що інфікування волосків не припиняється тривалий час.

У пізніші терміни зараження бульбашки зазвичай розміщуються нижче кореня.

Тип розвитку, структура та щільність кореневих волосків не впливають на швидкість впровадження бульбочкових бактерій. Місця утворення бульбочок не завжди пов'язані з місцями розташування інфікованих волосків.

Проникнувши в корінь (через кореневу волосину, епідермальну клітину, місця ушкоджень кореня), бульбочкові бактерії далі переміщуються в тканині кореня рослини.

Найлегше бактерії проходять через міжклітинні простори.

Впровадитись у тканину кореня може або одиночна клітина, або група клітин бактерій. Якщо впровадилася окрема клітина, вона й надалі може переміщатися тканиною як одиночка.

Шлях інфікування кореня одиночними клітинами властивий рослинам люпину.

Однак у більшості випадків клітина, що впровадилася, активно розмножуючись, утворює так звані інфекційні нитки (або інфекційні тяжі) і вже у вигляді таких ниток переміщається в тканини рослини.

Термін "інфекційна нитка" виник на основі вивчення процесу інфікування у світловому мікроскопі.

Починаючи з робіт Бейеринка, інфекційна нитка почала розглядатися як слизова гіфоподібна маса з ув'язненими в неї бактеріями, що розмножуються.

По суті, інфекційна нитка - це колонія бактерій, що розмножилися. Початком її служить те місце, куди проникла окрема клітина чи група клітин. Не виключено, що колонія бактерій (а отже, і майбутня інфекційна нитка) починає формуватися ще на поверхні кореня до моменту впровадження бактерій у корінь.

Кількість інфікованих кореневих волосків значно різниться в окремих рослин.

Зазвичай інфекційні нитки з'являються в деформованих, викривлених кореневих волосках. Однак є вказівки, що й у прямих волосинках іноді виявляються подібні нитки. Найчастіше в кореневих волосках спостерігається одна нитка, що розгалужується, рідше дві. У деяких випадках в одному кореневому волоску є кілька ниток або ж у кількох є загальні нитки зараження, що дають початок одному бульбочці (рис. 151).

Відсоток інфікованих кореневих волосків у кількості деформованих незрозуміло низький.

Він зазвичай коливається від 06 до 32, зрідка досягаючи 80. Частка вдалих інфекцій ще нижча, оскільки серед інфекційних ниток є багато (до 80%) так званих абортивних ниток, які припинили свій розвиток. Швидкість просування нормально розвиваються інфекційних ниток у рослині - 5 - 8 мкм на годину. При такій швидкості шлях через кореневу волосину завдовжки 100-200 мкм інфекційна нитка може пройти протягом однієї доби.

За способом харчування бактерії можна розділити на великі групи: автотрофи і гетеротрофы.

Автотрофами називають бактерії, які здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних.

Якщо для синтезу використовується сонячна енергія, то бактерії називають фотосинтетиками, а якщо енергія, що виділяється при різних хімічних реакціях, - хемосинтетиками.

Усі автотрофи мають дві великі групи ферментів.

Одні забезпечують синтез простих органічних речовин з неорганічних, інші, використовуючи ці речовини (глюкозу та інших.), синтезують складні органічні сполуки (крохмаль, муреїн, білки та інших.).

До бактерій-фотосинтетиків відносяться Пурпурні та Зелені бактерії. На відміну від рослин вони отримують водень (Н) не з води (Н20), а із сірководню (Н2S).

Хімічними символами реакцію бактеріального фотосинтезу можна записати наступним чином:

СО2+ Н2S СnН2nОn + Н20 +S

При цій формі фотосинтезу кисень не виділяється, а в клітинах бактерій накопичується сірка.

Такий тип фотосинтезу називають анаеробним.

Бактерії-фотосинтетики мешкають найчастіше у водоймах на поверхні мулу, а деякі види – у гарячих джерелах.

Інший характер фотосинтезу (аеробний) у ціанобактерій.

Це найдавніші організми, які з'явилися на планеті близько 3 млрд. років тому. Мешкають переважно у прісних водоймах, викликаючи іноді «цвітіння води». Деякі види живуть у морях і океанах, а також на суші, утворюючи на ґрунті, камінні та корі дерев зелені нальоти.

Фотосинтез ціанобактерій подібний до цього процесу у рослин, і, використовуючи хімічні символи, його можна виразити таким рівнянням:

CO2 + H2O CnH2nOn + O2

Саме ціанобактерії 800 млн.

років були єдиними постачальниками кисню в атмосферу.

Бактерії-хемосинтетики були вперше виявлені російським ученим С. Н. Виноградським у 1890 році. Ці бактерії використовують енергію, що виділяється при окисленні сполук аміаку, азоту, заліза, сірки.

Бактерії-гетеротрофи використовують для харчування готові органічні речовини, що виробляються організмами, або залишками мертвих тіл.

Способів отримання необхідної енергії у цих бактерій два: бродіння та гниття.

Гнієнням називають анаеробне ферментативне розщеплення білків та жирів.

Якщо бактерії для життєдіяльності використовують залишки мертвих тіл, їх називають сапротрофами.

Знаменитий французький мік-робіолог Луї Пастер ще наприкінці XIX століття вказав на винятково важливу роль бактерій-сапротрофів у природі. Ці бактерії спільно з пліснявими грибами є редуцентами (від лат. Reduce - повертати). Розщеплюючи органічні залишки до мінеральних солей, вони очищають нашу планету від трупів тварин і залишків рослин, забезпечуючи живі організми мінеральними солями, і замикають кругообіг речовин у природі.

У той же час бактерії гниття, потрапляючи на продукти харчування, викликають їхнє псування.

Для захисту продуктів харчування від редуцентів їх піддають сушінню, маринування, копчення, засолювання, заморожування, квашення або спеціальним методам консервування - пастеризації або стерилізації.

Луї Пастер розробив метод збереження рідких харчових продуктів (молоку, вина, пива та ін), який назвали пастеризацією. Для знищення бактерій рідину нагрівають до температури 65 - 70°З витримують 15 - 30 хвилин.

Повне знищення бактерій досягається шляхом стерилізації.

При цьому продукти витримують при 140 ° С близько 3 годин, або обробляють їх газами, жорстким випромінюванням і т. д.

Патогенні бактерії викликають такі захворювання, як холера, чума, туберкульоз, запалення легень, сальмонельоз, зворотний тиф, ангіна, дифтерія, правець і багато інших хвороб людини, а також різні захворювання тварин і рослин.

Вивчення патогенних бактерій розпочато ще Л.

Пастером і набув розвитку у роботах Роберта Коха, Є. Сміта, Данила Самойловича, Ш. Кітасато.

Здавна було відомо, що бобові рослини підвищують родючість ґрунту. Про це писали ще Теофраст та римський вчений Гай Пліній Старший.

У 1866 році відомий російський ботанік і ґрунтознавець М.М.

С. Воро-нин звернув увагу, що на коренях бобових рослин є ха-
рактерні здуття - бульбочки, що утворюються внаслідок життєдіяльності бактерій.

Лише через 20 років голландський мікробіолог Мартін Бейєрінк зумів довести, що бактерії поселяються на коренях бобових рослин, отримуючи від них готові органічні речовини, а натомість дають рослині настільки необхідний для них азот, який засвоюють з повітря.

Так було відкрито симбіоз бактерій із рослинами.

Подальші дослідження показали, що не тільки з рослинами, але і з тваринами і навіть з людиною. У кишечнику людини поселяється кілька видів бактерій, які харчуються залишками їжі, що не перетравилася, даючи натомість вітаміни і деякі інші речовини, необхідні для життєдіяльності людини.

Значення бактерій

Беруть участь в екосистемах у руйнуванні мертвого органічного матеріалу і тим самим беруть безпосередню участь у кругообігу вуглецю, азоту, фосфору, сірки, заліза та інших елементів.

2. З активністю бактерій пов'язані багато процесів у природі, як симбіотична (клубенькові бактерії), так і несимбіотична (азотобактерії) фіксація молекулярного азоту.

Багато видів бактерій людина використовує в народному господарстві: отримання органічних продуктів в результаті бродіння (оцтовокислі, лактобактерії).

Служать джерелом отримання антибіотиків (грамицидин, стрептоміцин).

4. Бактерії використовуються для створення нових способів одержання найважливіших для промисловості речовин, у тому числі спиртів, органічних кислот, Сахаров, полімерів, амінокислот та ряду ферментів.

Симбіотичні бактерії кишечника ссавців (мікро-флора) беруть участь у синтезі низки вітамінів групи У та вітаміну До, і навіть розщеплюють клітковину.

6. Завдяки генній інженерії в даний час вдалося успішно перенести гени людського інсуліну в геном кишкової палички, і вже почалося промислове отримання цього гормону.

7. Багато видів бактерій спричиняють хвороби рослин, тварин і людини.

Розділ 11

ЦАРСТВО ВІРУСИ (VIRA)

Історія відкриття вірусів

Наприкінці ХІХ століття дивна хвороба вражала у Криму плантації тютюну.

Листя захворілих рослин покривалося іржавими плямами, зморщувалося і засихало.

Цією хворобою зацікавився випускник Петербурзького університету Д. І. Івановський.

Щоб виділити збудника захворювання, він розтер листя хворих рослин, а одержаний сік профільтрував через полотно.

Однак ні в процідженому соку, ні в залишку на полотні бактерій хвороботворних Д. І. Івановський не виявив. У той же час проціджений сік, що наноситься на листя здорових рослин, у 80% випадків спричинював характерне захворювання. Може бути, бактерії, що викликають захворювання, занадто малі? Івановський проціджує сік через фарфоровий фільтр, який, як відомо, не пропускає навіть самих дрібних бактерій.

І знову безрезультатно. Д. І. Івановський робить висновок, що хворобу тютюну викликають найдрібніші бактерії, що фільтруються, які неможливо побачити в оптичний мікроскоп.

Через кілька років причини захворювання тютюну досліджує голландський мікробіолог Мартін Бейєрінк і приходить до висновку, що рослини вражає.

отруйна рідина, яку він назвав «вірусом» (від лат. вірус - отрута). Але отрута виявилася дуже дивною: сила будь-якої отрути залежить від її концентрації, а ось вірус Бейєрінка в будь-якому розведенні давав однаковий результат.

Та й джерело отрути залишалося невідомим.

У 1932 році професор Віндел Стенлі (США) зумів з тонни ураженого листя отримати чайну ложку кристалів. Натираючи розчинами цих кристалів листя здорових рослин, він викликав у них характерні захворювання. Але хіба живі істоти можуть перетворюватися на кристали?

Стенлі робить висновок, що віруси - це живі істоти, а білкові молекули.

Лише через сім років за допомогою електронного мікроскопа вдалося побачити невловимий вірус.

Будова вірусів

Усі віруси можна як генетичні елементи, одягнені в захисну білкову оболонку і здатні переходити з однієї клітини до іншої.

Окремі вірусні частинки - віріони - представляють симетричні тіла, що складаються з елементів, що повторюються.

У серцевині кожного віріона знаходиться генетичний матеріал, представлений молекулами ДНК і РНК. Велика різноманітність форм цих молекул: є віруси, що містять дволанцюгову ДНК у кільцевій або лінійній формі; віруси з одноланцюгової кільцевої ДНК; одноланцюгової або дволанцюжкової РНК; містять дві ідентичні одноланцюгові РНК.

Генетичний матеріал у вірусу (геном) оточений капсидом - білковою оболонкою, що захищає його як від дії нуклеаз - фермен-тов, що руйнують нуклеїнові кислоти, так і від впливу ультрафіолетового випромінювання.

Віруси – інфекційні агенти

Жоден із відомих вірусів не здатний до самостійного існування.

Лише потрапивши в клітину, генетичний матеріал вірусу відтворюється, переключаючи роботу клітинних біохімічних конвеєрів на виробництво вірусних білків: як ферментів, необхідних для реплікації вірусного гниття - всієї сукупності його генів, так і білків оболонки вірусу. У клітці ж відбувається складання з нуклеїнових кислот і білків численних нащадків одного вірусу, що потрапив до неї.

Вивчення вірусів дозволило як встановити причини багатьох захворювань, відомих з глибокої давнини, а й знайти способи боротьби із нею.

Поселяючись у клітинах живих організмів, віруси викликають багато небезпечних захворювань рослин (мозаїчна хвороба тютюну, томатів, огірків; скручування листя та інших.) і свійських тварин (ящур, чума свиней і птахів тощо.

д.), що різко знижує врожайність культур та призводить до масової загибелі тварин.

Віруси викликають небезпечні захворювання у людини (кір, віспа, поліомієліт та ін.).

В останні роки до них додалося ще одне захворювання – СНІД (синдром набутого імунодефіциту).

Як відомо, кишечник людини заселений безліччю різноманітних бактерій, які приносять неоціненну користь: одні допомагають перетравлювати їжу, інші є важливою частиною імунної системи.

У ході нового дослідження американські вчені виявили ще одну важливу роль бактерій-симбіонтів - вони беруть участь у знищенні вірусів. Результати дослідження опубліковані в журналі Immunity.

«У ході експериментів на мишах ми встановили, що бактерії-комменсали посилають особливі сигнали імунній системі з появою в організмі вірусів, — пояснює доктор Девід Артіс (David Artis), професор мікробіології медичної школи Перельмана при університеті Пенсільванії (Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania).

— Під впливом цих сигналів прискорюється дозрівання клітин імунної системи та підвищується їхня чутливість до вірусів. Без цих сигналів повноцінна імунна відповідь розвинутися не може».

Дослідники проводили лабораторним мишам курс антибіотикотерапії, щоб скоротити кількість кишкової флори, після чого заражали їх вірусом грипу.

У таких мишей розвивалася вкрай слабка імунна відповідь на впровадження вірусу, відзначалися серйозні поразки органів дихальної системи, і хвороба найчастіше закінчувалася летальним кінцем. Далі вчені проаналізували гени імунних клітин-макрофагів мишей, яких лікували антибіотиками. Вони відзначили помітне зниження в макрофагах активності генів, які відповідають за антивірусний імунітет та вироблення інтерферонів.

До бактерій-комменсалів відноситься не тільки кишкова флора, а й колонії симбіотичних мікроорганізмів, що мешкають на поверхні шкіри, у верхніх відділах органів дихання та в піхву.

Попередні дослідження довели, що люди, які страждають на недолік симбіотичної флори, схильні до розвитку цукрового діабету, ожиріння, раку, запальних захворювань кишечника та інших патологій

Толерантність у світі рослин, або Симбіоз по-новому

У світі рослин є безліч прикладів «терпимого» ставлення один до одного. Так, чудово уживаються поруч малина та кропива, пшениця та волошки. Кореневі системи багатьох деревних рослин вступають у тісний взаємозв'язок з міцелієм деяких вищих грибів, утворюючи мікоризу. Одним із хрестоматійних прикладів подібних взаємин служить і класичний симбіоз – взаємозв'язок бобових рослин із азотфіксуючими бактеріями. Дружній союз бульбочкових бактерій з бобовими сформувався дуже давно, у процесі еволюційного розвитку. І зараз про нього вже можна говорити як про повноцінну екологічну систему. Між рослиною-господарем та бактеріями-симбіонтами відбувається обмін різноманітними хімічними сполуками – продуктами обміну речовин. Мікроби при цьому отримують харчування (головним чином, цукру) та енергію для власної життєдіяльності, віддаючи натомість рослині азотні сполуки та фізіологічно активні речовини, що стимулюють його зростання та розвиток.

Бобові рослини завдяки симбіозу з азотфіксуючими бактеріями роду Rhizobiumзбагачують ґрунт азотними сполуками. Вперше на це звернув увагу Буссенго, а докази фіксації азоту мікробами, що живуть у симбіозі з бобовими рослинами, були отримані німецькими вченими Хелльрігелем та Вільфартом у 1886–1888 роках. Порівнюючи джерела азоту для злаків та бобових, вони виявили, що бобові, на відміну від злаків, які отримують азот із мінеральних речовин ґрунту, здатні фіксувати атмосферний азот. Хелльрігель пояснив подібну здатність бобових рослин наявністю на їхньому корінні бульб, розвиток яких викликається мікроорганізмами. Висновок німецького вченого було підтверджено через кілька років, коли голландському бактеріологу Мартіну Бейєрінку вдалося виділити азотфіксуючий мікроорганізм із бульбочок у чистій культурі. Надалі була показана здатність ризобій інфікувати коріння бобових і викликати утворення на них бульб, у яких власне і протікає азотфіксація.

Бактерії роду ризобіум - це аеробні грамнегативні палички довжиною 0,7-1,8 мкм, що живуть у ґрунті та на поверхні рослин. При інфікуванні бобових викликають у останніх освіту на корінні бульбоподібних утворень.

Утворення бульбочок у різних видів рослин:

1

- Азолла; 2 - бульбочки чини; конюшини; вікі; 3 - Бульби на коренях арахісу; 4 - бульбочки на корінні вільхи; 5 – виникнення інфекційних ниток у кореневих волосках; 6 - Викривлення кореневих волосків бобових у присутності бульбочкових бактерій; 7 - Клітини бактерій з бульбочок люцерни; 8 - Бактероїд бульбочкових бактерій конюшини; 9 - Клітини бульбочкових бактерій на поверхні волоска; 10 - азотобактер (клітка, що ділиться); 11 - бульбочкова тканина вільхи

Молода, рухлива мікробна клітина наближається до кореня на основі градієнта специфічних сполук, що виділяються коренем бобової рослини. Білок на поверхні кореневих волосків – лектин – «пізнає» полісахарид зовнішньої поверхні клітинної стінки бактерії та міцно зв'язується з ним. Зараження рослини відбувається лише через молоді кореневі волоски. Бактерії впроваджуються в самому кінці або близько кінця волоска і ростуть у ньому у вигляді інфекційної ниткидо його заснування. Потім такі нитки, одягнені целюлозною оболонкою, проникають крізь тонкі стінки молодих клітин епідермісу кору кореня. Натрапивши тут на одну з тетраплоїдних клітин кори, нитка стимулює поділ цієї та сусідніх диплоїдних клітин. Внаслідок такого розростання тканин відбувається утворення бульбочок. Бактерії в бульбах розмножуються дуже швидко і утворюють великі клітини неправильної форми ( бактероїди), обсяг яких може в 10-12 разів перевищувати обсяг вільноживучих різобій. Бактероїди розташовуються окремо або групами, оточені мембраною, в цитоплазмі рослинних клітин. Тканина, заповнена бактеріями, має червоне забарвлення – вона містить пігмент леггемоглобін, споріднений з гемоглобіном. Утворення пігменту – це специфічний результат симбіозу: простетична група (протогем) синтезується бактероїдами, а білковий компонент за участю рослини. Молекулярний азот фіксують ті клубеньки, у яких є леггемоглобін. Фіксація азоту відбувається лише у бактероїдах, причому 95% фіксованого азоту у вигляді іонів амонію переходить у цитоплазму рослини-господаря.

Для кожного роду бобових є свої різновиди (штами) бактерій, які називають за назвою рослини-хазяїна. Наприклад, Rhizobium trifolii- бульбочкові бактерії конюшини, Rh.lupini- бульбочкові бактерії люпину та ін.

Симбіотична фіксація азоту в кореневих бульбах бобових: 1 - Корінь гороху з бульбочками; 2 - Бульби в розрізі;
3 – рослинна клітина у розрізі, заповнена бактеріями; 4 - бактерії, що знаходяться в клітинах рослини набувають незвичайної форми; 5 - Впровадження бактерій через кінчики кореневих волосків, і зростання інфекційних ниток

Однак бобові рослини зовсім не є монополістами у створенні продуктивних зв'язків із азотфіксуючими мікроорганізмами. Так, посперечатися з бобовими за ступенем накопичення в грунті доступних сполук азоту може всім відома деревна рослина – вільха ( Alnus). У неї теж виявлені бульбочки, що являють собою густі сплетіння коренів, розгалужених на зразок коралів і припинили зростання. Однак мікросимбіонтами вільхи є інші мікроорганізми - актиноміцети з роду Франція. Система бульб на коренях вільхи за аналогією з мікоризою носить назву актинорізи.В даний час подібний тип взаємовідносин покритонасінних рослин з азотфіксуючих актиноміцет описаний більш ніж для двох сотень видів, переважно деревних. І цей список щорічно поповнюється. Цікаво те, що якщо в симбіозі з ризобіями макросимбіонтами є тільки рослини сімейства бобові, то щодо актиноміцетів список сімейств рослин-макросімбіонтів більший. Широко відомі симбіози з актиноміцетами таких рослин, як обліпиха ( Hippophae), лох ( Elaengnus), восковниця ( Myrica). Актинорізні рослини поширені по всій земній кулі, але основна їх маса зосереджена в помірній зоні, в той час як більшість бобових віддає перевагу більш теплим ділянкам. Накопичення азоту у ґрунті за участю таких рослин може досягати 150–300 кг на 1 га на рік. Актиноризний симбіоз було відкрито у ХІХ ст., але корисність рослин, мають актиноризу, для господарську діяльність людей було помічено набагато раніше.

Протягом багатьох століть вільху висаджували для покращення ґрунту в Англії, Південній Америці, Китаї і навіть на Алясці. У Скандинавії зазвичай цих цілей застосовують обліпиху. Вільха завдяки наявності актиноризи покращує зростання сосни, тополі, ялини, дуба, ясена.

Деревні рослини-симбіонти можуть широко застосовуватися для поліпшення ґрунтів. Чорна і сіра вільха, висаджені на береги водойм, не тільки закріплюють їх, оберігаючи грунт від розмивання, але й значно збагачують його азотом, що, у свою чергу, стимулює появу на ній трав'яного покриву.
У тропічних країнах для закріплення ґрунту та підвищення його родючості висаджують прибережну казуарину – тропічну рослину, батьківщиною якої є узбережжя Індійського океану. До речі, у цієї рослини бульби складаються з пухкого пучка потовщеного коріння з негативно геотропним зростанням.

Вже згадуваний М.Бейєрінк в 1925 р. виявив утворення, подібні до бульби бобових, на коренях лугових трав'янистих рослин, до сімейства бобових, що не належать. Мікроорганізми, виділені Бейєринком з коріння лугових злаків, належали до роду спірил. Spirillium lipoferum Beijerinckii.Однак знадобилося майже півстоліття і чимало накопиченого фактичного матеріалу, щоб на це явище звернули більшу увагу. У 1938 р. російський вчений В.М. Нігтьов виявив веретеноподібні потовщення на коренях лугового лисохвоста. У 1972 р. М.З. Магавіріані описав наявність бульб у багатьох рослин, що ростуть на Кавказі. В основному вони належали до сімейства складноцвітих. Досліджуючи Сибірський регіон, мікробіологи І.Л. Клевенська та І.С. Роднюк виявили бульбачки на коренях понад сотню видів рослин, із більш ніж 20 сімействам. Більшість рослин-симбіонтів Сибіру ставилася до однодольним. У трав'янистих рослин роду Gunneraбульбочки на листі утворюють азотфіксуючі бактерії роду Nostoc.

Нарешті, зупинимося у разі незвичайного симбіозу рослин із мікроорганізмами. Але спочатку небагато історії. Існує не так багато рослин серед величезної їх кількості, які люди б обожнювали. Такої честі удостоїлася скромна і зовні нічим особливо не помітна водна папороть азолла ( Azolla).

У в'єтнамській провінції Тхай-Пінь розташоване невелике село Лаван, в якому стоїть пагода, присвячена богині Азоллі. Легенда свідчить, що мешканка села Лаван, в'єтнамська селянка Ба-Хен, одного разу перенесла на своє рисове поле азоллу. І, диво, урожай на її полі зріс у кілька разів. Після смерті селянки її почали почитати як святу, а на честь рослини, яка підвищила врожай рису, збудували пагоду. Азоллу стали використовувати як добрива для рисових полів. Після 1945 р. вона широко увійшла до практики сільського господарства. Незвичайні властивості папороті пояснюються тим, що він також взаємодіє з мікробами-азотфіксаторами і завдяки цьому збагачує рис, що росте поруч, доступним азотом.

Незвичайність симбіозу азоли з мікробами полягає в тому, що на коренях не утворюється звичних бульбочок або інших виростів. Мікроби-азотфіксатори представлені ціанобактеріями з роду Anabaena. Ціанобактерії займають порожнину на нижній стороні листка папороті, недалеко від його заснування. У міру зростання листа та розмноження ціанобактерій порожнина заповнюється, а вхідний отвір заростає. Утворюється камера, в якій потім відбувається засвоєння атмосферного азоту, вільно проникає через тканини листа.

У В'єтнамі на рисових полях найчастіше зустрічається азолла периста(A. pinnata). Ця водяна папороть широко поширена у водоймах Австралії, тропічної Африки та Південно-Східної Азії. Для нього характерне яскраве червоно-коричневе забарвлення. Здібності до азотфіксації в симбіозі цього виду азолли з анабеною вражають. У лабораторії папороть накопичує протягом доби до 7 мг чистого азоту на 1 г сухої маси. У полі кожен гектар, де росте азолла, дає до 1000 – 1400 кг азоту на рік. Для порівняння: найбільш продуктивна з бобових культур – люцерна – залишає в орному шарі трохи більше 400 кг азоту на 1 га. Таку високу продуктивність можна пояснити принципово іншими механізмами функціонування системи рослина – мікроорганізм. Азотфіксація – процес дуже енергоємний. Джерелом енергії для неї в системі бобові – ризобії є продукти фотосинтезу бобових. У системі азолла–анабена обидва компоненти беруть участь у фотосинтезі, збільшуючи запаси енергії, необхідні азотфиксации. Завдяки здатності до накопичення азоту азолла є добрим білковим кормом для свійських тварин. Вона містить до 20-25% білка від сухої маси рослин, що вдвічі більше, ніж у зернових культур, а також до 35% вуглеводів. У В'єтнамі азоллу вирощують у спеціальних водоймах, збираючи в міру розростання та згодовуючи худобу.

Для підвищення врожаю рису азоллу переносять на рисові поля, вже залиті водою і засаджені молодими рослинами рису. Поверхня води швидко заростає азолою, яка через деякий час з настанням спекотного періоду відмирає, утворюючи велику масу органічного добрива. Розпад біомаси папороті після його відмирання відбувається за тиждень, а через місяць з'єднання азоту, що звільнилися, стають доступними рослинам. У цьому врожайність рису зростає на 20%.

Родичку азолли перистої можна виявити у акваріумістів. Азолла каролінська(A.caroliniana) – поширена акваріумна рослина. Цей вид азолли поширений у тропіках та субтропіках Північної та Південної Америки, зустрічається також на заході Індії. Азолла каролінська утворює на поверхні води красиві плаваючі острівці. Рослина дуже ніжна, тендітні стебла покриті попарно розташованим округлим листям від блідо-зеленого до червоно-коричневого квітів. Цей вид добре росте у тропічних акваріумах з дуже яскравим освітленням.

Література

Самсон С.К.У союзі із мікробами. - М.: Знання, 1990.
Польовий В.В.Фізіологія рослин. - М.: Вища школа, 1989.
Ігнатов В.В.Біологічна фіксація азоту та азотфіксатори, 1989.