Клубеньковые растения

Клубеньковые бактерии помогли доннику расти в модельном марсианском грунте

Ученые проверили способность азотфиксирующих клубеньковых бактерий Sinorhizobium melioti формировать симбиоз с донником лекарственным (Melilotus officinalis) в имитации марсианского реголита. Растения успешно сформировали клубеньки с симбиотическими бактериями и продемонстрировали двукратный прирост в биомассе. Однако ожидаемого обогащения грунта азотом добиться не удалось. Статья опубликована в журнале PLoS One.

Корни бобовых растений (в том числе донника) образуют специфические клубеньки, где обитают бактерии-симбионты из семейства Rhizobiaceae. Эти бактерии фиксируют атмосферный азот, то есть превращают недоступный для растений газообразный азот (N₂) в легкоусвояемую аммонийную форму (NH₄). В результате бобовые растения растут лучше, а почва обогащается доступным для других растений азотом.

Выращивание бобовых могло бы помочь при колонизации Марса, так как марсианский реголит хоть и содержит азот, но в очень небольшом количестве. Но будет ли симбиоз бобовых растений и ризобиальных бактерий работать в таком грунте, пока неизвестно.

Франклин Харрис (Franklin Harris) и его коллеги из университета Колорадо решили это проверить и провели эксперимент по выращиванию донника в имитации марсианского реголита.

Использованный в эксперименте модельный грунт носит обозначение MMS (Mojave Mars Simulant), он разработан в 2007 году специалистами Лаборатории реактивного движения NASA с опорой на данные спектральных наблюдений поверхности Марса, и посадочных миссий, в частности, зондов «Викинг» и марсоходов «Спирит» и «Оппортьюнити». Основа искусственного реголита — базальтовый песок из американской пустыни Мохаве. На 50 процентов он состоит из диоксида кремния и на 10 процентов — из оксида железа. Ростки донника выращивались при оптимальных условиях — в теплице под фитолампами при температуре 25-30 градусов Цельсия и ежедневном увлажнении.

Спустя две недели после высадки десять ростков в имитации марсианского реголита обработали культурой бактерий Sinorhizobium melioti, которые образуют бобово-ризобиальный симбиоз с донником, а еще пять оставили необработанными. Для сравнения этот же опыт провели в обычном грунте для выращивания растений. Спустя три месяца после обработки авторы аккуратно вынули растения, определили их массу и количество клубеньков, а также проанализировали состав грунта.

На корнях донника в реголите успешно образовались клубеньки, хоть и значительно меньше, чем в земной почве (в среднем 14,5 клубеньков на растение в реголите, против 63 в земном грунте). Образование клубеньков в реголите могло ограничиваться высоким pH и низкой доступностью железа, которое входит в состав нитрогеназы — фермента, фиксирующего азот. Длина побегов, масса побегов и корней у растений с клубеньками были вдвое больше по сравнению с ростками, не обработанными культурой бактерий. То есть симбиоз в марсианской почве все-таки работает, и значительно улучшает жизнь бобовых растений.

Однако накопления азота в реголите с обработанными растениями не происходило. Несмотря на работу азотфиксирующих бактерий, содержание аммонийного азота в нем даже снизилось (c 5,5 до 3,7 миллиграмм на килограмм).

Авторы связывают это с тем, что в бедном грунте растения потребляли весь доступный азот, как образуемый бактериями, так и присутствующий в грунте. Но есть возможное решение этой проблемы. В земном сельском хозяйстве бобовые растения часто используют в качестве «зеленых удобрений» — их запахивают в землю, где растения разлагаются и высвобождают накопленный азот. По предположению авторов, длительное выращивание бобовых и их запашка в грунт все-таки смогут обогатить марсианский реголит доступным для растений азотом.

Ранее было показано, что в имитации марсианского грунта и разреженной атмосфере могут расти цианобактерии, которые, как и клубеньковые бактерии, способны фиксировать газообразный азот. Также в имитации реголита успешно вырастили десять видов овощных культур.

Тимофей Чернов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Клубеньковые бактерии для бобовых

Бобовые растения – настоящий клад для человека. К ним относятся такие важные продо-вольственные культуры, как горох, фасоль, бобы, чечевица, нут, соя, арахис и другие, а также медоносные и кормовые – донник, люцерна, козлятник, люпин и клевер. В этой статье мы поговорим о ценности этого клада и о том, как его приумножить.

Нормы употребления бобовых на 1 человека: 200–300 г в неделю (600–800 г для вегетарианцев) – в приготовленном виде, или минимум 6 кг в год.

Польза для человека

Бобовые растения являются отличными предшественниками практически для всех огородных культур, кроме них самих. Своими корневыми выделениями они оздоравливают почву от некоторых болезней и вредителей, в том числе проволочника и нематод. Но самая главная и уникальная их роль связана с удивительным симбиозом с особыми клубеньковыми бактериями, которые поглощают азот воздуха и накапливают его в доступных для растений соединениях прямо в зоне поглощения корней. За сезон благодаря клубеньковым азотфиксирующим бактериям на грядках с бобовыми накапливается от 0,5 до 1 кг азота на сотку, что соответствует внесению 150–300 кг свежего коровьего навоза! Подумайте только, сколько работы за вас сделают эти микроскопические помощники, поселившиеся в корневых клубеньках заботливых бобовых растений! Поэтому кроме продовольственных бобовых на участке стоит выращивать и сидеральные – вику, люпин, донник, клевер и другие культуры, которые еще и привлекают опылителей, будучи медоносами.

Друг познается в беде. Применение ядохимикатов, неразумное внесение минеральных удобрений и злоупотребление распашкой ведет к видовому и количественному оскудению полезной микрофлоры почвы, в том числе и азотфиксирующих бактерий. Бобовые растения, не находя в почве своих важных союзников, развиваются хуже и часто болеют, давая в лучшем случае при этом скудные урожаи. К тому же для эффективного взаимодействия полезных микроорганизмов с корнями растений важен их непосредственный контакт, то есть почва должна быть равномерно насыщена спорами азотфиксаторов, чтобы при прорастании семян их корни встретились с ними. Такое даже в естественных условиях случается не всегда и не сразу. Поэтому так важно определить полезные бактерии «по имени, отчеству» и снабдить ими прорастающие семена!

Земля-Матушка Бобовые

Ученым удалось не только установить виды азотфиксирующих бактерий бобовых, но и научиться размножать их на искусственных средах для получения биопрепаратов. Например,

для сои – это Rhizobium japonicum,
для нута – Rhizobium cicero
а для гороха, чечевицы, фасоли и бобов – Rhizobium leguminosarum.

Опыты показали, что обработка семян концентратами этих микроорганизмов способствует быстрому и массовому появлению клубеньков на корнях бобовых и значительному увеличению их урожайности. В урожае бобовых при этом повышается и количество накапливаемого бесценного белка, что повышает ценность получаемой продукции. На основе данных бактерий были созданы биопрепараты серии РизоБаш для разных сельскохозяйственных бобовых культур, применяемые на широких площадях. Сила азотфиксирующих микроорганизмов теперь доступна каждому огороднику, потому что в продажу вышел биопрепарат Земля-Матушка Бобовые!

Способ применения и дозы:

1. Внести Землю-Матушку Бобовые:

При посеве в бороздки – распределить по бороздкам из расчета 60 мл (4 ст. ложки) на 1 пог. м.
При посеве в лунку – внести 5 мл (1 ч. ложка) препарата на дно каждой лунки.
При поверхностном посеве – равномерно рассыпать Землю-Матушку Бобовые по поверхности грядки из расчета 3 л на 10 м².

2. Перед посевом семян бобовых пролить водой бороздки, лунки или поверхность грядки.

3. Посеять семена бобовых.

4. В зависимости от способа посева заделать бороздки, лунки или поверхность грядки почвой и провести полив.

Совместимость с препаратами

Использование Земли-Матушки Бобовые не отменяет традиционного применения биопрепаратов Гуми и Фитоспорин при замачивании семян перед посевом. Эти препараты выполняют разные, не взаимозаменяемые функции: Гуми стимулирует прорастание и рост, Фитоспорин защищает проростки от болезней, а Земля-Матушка Бобовые способствует появлению удивительных клубеньков на корнях, своеобразных фабрик по добыче азота. Не повредит и увеличит эффект применение биопрепаратов 33 Богатыря и Кормилица Микориза, каждый из которых по-своему усиливает корневое питание растений.

Наполняйте почву на вашем участке жизнью с помощью мощнейших биопрепаратов, среди которых появилась новинка – Земля-Матушка Бобовые!

Что представляют собой маленькие комочки, которые я вижу на корнях некоторых растений? · Frontiers for Young Minds

Abstract

Микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, могут жить вместе с растениями в тесной взаимосвязи, помогая друг другу в обеспечении питательными веществами. Некоторые группы бактерий могут превращать азот, важный элемент, из газа в атмосфере в форму, которую могут использовать растения. В свою очередь, растения предоставляют бактериям углерод. Эти особые отношения называются симбиозом. Исследователи пытаются понять, почему одни растения взаимодействуют с этими полезными бактериями, а другие нет. Они делают это, глядя на то, как формировались симбиотические отношения и как они развивались в течение длительного периода времени в несколько миллионов лет. Если бы мы могли использовать симбиотические микроорганизмы для обеспечения растений питательными веществами вместо использования удобрений, мы могли бы уменьшить негативные последствия, вызванные парниковыми газами, связанными с их производством.

Все дело в азоте

Если вам когда-либо приходилось выкапывать растение клевера, вы могли видеть маленькие розовые или желтые комочки на корнях растения (рис. 1). Это структуры — мы называем их узелками — которые сделаны заводом. Клубеньки необходимы для того, чтобы помочь растению получать азот из атмосферы, когда азота в почве недостаточно. Да, структуры растения, найденные в почве, важны для получения питательных веществ из атмосферы! Как людям и животным, растениям для роста необходимы вода и питательные вещества. Как и углерод, азот является важным строительным блоком любого организма. Это самый распространенный компонент атмосферы. Газообразный азот составляет около 78% атмосферы. Для сравнения, кислород, которым мы дышим, составляет всего 21% атмосферы. В то время как люди и животные дышат газообразным азотом, мы не можем напрямую использовать азот в воздухе. Таким образом, мы полагаемся на источники пищи для получения азота. Получение достаточного количества азота обычно не является проблемой для людей или животных, но может быть проблемой для растений, которые не питаются другими организмами.

Рисунок 1 – Разнообразие клубеньков на разных растениях.
Слева показаны растения, а справа их клубеньки. (A) Coriaria sp. (пачка). (B) Discaria trinervis (чакай). (C) Pisum sativum (горох садовый). Фото предоставлено: Ф. Беркс.

Откуда же растения получают азот? Ну, они используют свои корни, чтобы брать азот из почвы. В современном сельском хозяйстве азот и другие питательные вещества в основном поступают за счет искусственных удобрений. Азотсодержащие удобрения были изобретены примерно 100 лет назад двумя людьми: Фрицем Габером и Карлом Бошем. Оба получили Нобелевскую премию за свою работу. К сожалению, сейчас мы узнаем о негативном воздействии на окружающую среду при использовании этого удобрения. Например, во время производства много CO ₂ выбрасывается в атмосферу. Удобрения также могут загрязнять водные экосистемы, такие как озера, когда поступает слишком много азота. Растения выращивались как сельскохозяйственные культуры гораздо дольше, чем использовались удобрения. Не все растения выращиваются фермерами. Так как же эти растения получают азот? И можем ли мы чему-нибудь научиться у этих растений, чтобы сделать сельское хозяйство более экологичным?

Бактерии в конкрециях могут помочь растениям получить азот

Почва содержит некоторое количество азота, доступного растениям. Часть этого азота поступает, например, от распада организмов. В почве также содержится много микроорганизмы , которые представляют собой очень маленькие организмы, такие как грибы, бактерии или крошечные животные, такие как водяные медведи. Некоторые бактерии в почве, называемые диазотрофами, могут превращать газообразный азот из атмосферы в аммиак, форму азота, которую могут использовать растения (рис. 2). Этот процесс называется азотфиксацией, а бактерии, которые могут это делать, называются азотфиксирующими бактериями . Некоторые диазотрофы образуют тесные отношения с растениями посредством процесса, называемого симбиозом корневых клубеньков. Симбиоз означает, что два или более организмов живут и взаимодействуют друг с другом в тесных отношениях, от которых выигрывают оба организма. Растение образует на корнях клубеньки различной формы, цвета и размера (рис. 1). Если подумать обо всех существующих растениях, только небольшая группа способна образовывать клубеньки. Бактерии живут внутри корневых клубеньков, где они обмениваются питательными веществами с растениями. Бактерии обеспечивают азотом, а растения — сахарами в результате фотосинтеза. Не все растения могут образовывать клубеньки, поэтому этот тип симбиоза ограничен только определенными растениями. Например, клевер, горох, фасоль и арахис являются частью одного и того же семейства растений, которое мы называем 9.0009 бобовые [1]. Но есть и некоторые небобовые растения, которые могут образовывать корневые клубеньки [2].

Рисунок 2. После извержения вулкана вулканический пепел, покрывающий почву, содержит мало азота (N).
Клубенькообразующие растения могут поселиться в этой суровой среде и с помощью своих друзей-бактерий получать азот из атмосферы. По мере того, как почва становится богаче аммиаком (NH ₃), в этом районе может начать расти больше растений.

У каждого растения, способного образовывать клубеньки, есть общий прапрапрапрадедушка, живший 100 миллионов лет назад. Это означает, что все они связаны друг с другом и что их предок мог образовывать узелки [3]. Но с того времени многие растения утратили способность образовывать клубеньки. Как эти растения получают азот? Они должны полагаться на азот, доступный в почве. Растения, образующие конкреции, часто встречаются в более суровых условиях, например, на окраинах пляжей, или они первыми вырастают в пепле после извержения вулкана. Благодаря своим бактериальным друзьям они могут расти в этих суровых условиях и со временем обогащать почву азотом. Обогащение почвы азотом приносит пользу растениям без клубеньков, которые обычно образуются позже (рис. 2).

Симбиоз кажется большим преимуществом, так почему же многие растения утратили эту способность? Это вызывает недоумение у исследователей. Некоторые думают, что, возможно, это произошло из-за «мошенников» в почве: бактерий, которые могли притворяться полезными, но не давали растениям достаточного количества азота. Кроме того, поскольку симбиоз требует энергии, если почва уже достаточно богата азотом, возможно, растениям , а не , лучше инвестировать в симбиотические отношения.

Растения и бактерии используют химические вещества, чтобы найти друг друга

Как растения-хозяева и бактерии находят друг друга? Чтобы общаться с другими организмами, растения выделяют химические вещества в почву. Эти химические вещества сообщают бактериям, какие растения растут поблизости. Если растения подобраны правильно, бактерии также будут выделять химические вещества, сообщая растениям, что поблизости находятся дружественные азотфиксирующие бактерии. В некоторых случаях с определенными растениями будут взаимодействовать только определенные типы бактерий, а детали связи между растениями и бактериями для некоторых растений еще недостаточно изучены. Ученые do знают, что то, как растения общаются с дружественными им бактериями, очень похоже на то, как растения общаются с некоторыми видами грибов, которые также помогают растениям получать питательные вещества, такие как азот и фосфор [4]. Симбиозы с этими грибами встречаются гораздо чаще, чем симбиоз клубеньков. По оценкам исследователей, симбиотические отношения с грибами возникли 500 миллионов лет назад, когда на суше начали расти растения. Это было задолго до того, как начался бактериальный симбиоз. Первые динозавры появились около 240 миллионов лет назад. Около 100 миллионов лет назад древнее предковое растение, которое впервые вступило в симбиоз с бактериями, вероятно, позаимствовало гены, участвующие в общении с грибами, и использовало их для общения с азотфиксирующими бактериями. Со временем многие потомки этого растения-предка утратили способность общаться с бактериями, но сохранили способность общаться с грибами.

Как мы можем использовать эти знания для защиты планеты?

Хотя современное сельское хозяйство обеспечивает нас большей частью необходимого нам продовольствия, исследователи обнаружили, что сельское хозяйство оказывает негативное влияние на нашу планету. Производство удобрений приводит к выбросу парниковых газов, которые усиливают глобальное потепление. Но в то же время удобрения помогают нам выращивать достаточно растений, чтобы удовлетворить глобальный спрос на продукты питания, поэтому мы должны сбалансировать выбросы парниковых газов с преимуществами, которые удобрения приносят сельскохозяйственным культурам. Азотфиксирующие бактерии в клубеньках растений могут помочь нам, потому что они обеспечивают растения азотом и снижают потребность в удобрениях. Один из способов, которым фермеры уже пользуются этим симбиозом, — это выращивание бобовых на своих полях в чередовании с другими культурами. Бобовые естественным образом увеличивают количество доступного в почве азота. Некоторые исследователи пытаются модифицировать гены сельскохозяйственных растений, чтобы у них были собственные инструменты для фиксации азота без необходимости в бактериях. Другие исследователи пытаются понять, почему многие растения утратили способность вступать в симбиотические отношения с бактериями и можно ли вновь привить эту способность некоторым культурным растениям. Мы надеемся, что, используя или улучшая естественные способности сельскохозяйственных культур получать собственные питательные вещества, мы сможем уменьшить негативное воздействие сельского хозяйства на окружающую среду и многие дикие виды, в то же время выращивая достаточно пищи, чтобы прокормить человечество.

Глоссарий

Клубеньки : ↑ Особый орган, образующийся на корнях растений, в котором могут жить определенные бактерии и обмениваться с растением питательными веществами.

Азот : ↑ Самый распространенный химический элемент в атмосфере.

Микроорганизмы : ↑ Крошечные организмы, такие как бактерии, археи и грибы, а также очень мелкие животные или водоросли, которые можно увидеть только под микроскопом.

Азотфиксирующие бактерии : ↑ Тип бактерий, которые могут поглощать азот из атмосферы и преобразовывать его в форму, удобную для растений, например аммиак. Некоторые археи также способны фиксировать азот.

Симбиоз : ↑ Взаимоотношения между двумя организмами разных видов живут вместе, и оба извлекают выгоду из этих отношений.

Бобовые : ↑ Растения, принадлежащие к семейству гороховых, которое также включает фасоль и клевер. Большинство из них являются симбиотическими.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Каталожные номера

[1] ↑ Спрент, Дж. И., Ардли, Дж., и Джеймс, Э. К. 2017. Биогеография клубеньковых бобовых и их азотфиксирующих симбионтов. Новый Фитол. 215:40–56. doi: 10.1111/nph.14474

[2] ↑ Павловский К., Демченко К. Н. 2012. Разнообразие актиноризных симбиозов. Протоплазма . 249: 967–79. doi: 10.1007/s00709-012-0388-4

[3] ↑ Griesmann, M., Chang, Y., Liu, X., Song, Y., Haberer, G., Crook, M.B., и Roswanjaya, Y.P. 2018. Филогеномика выявляет множественные потери азотфиксирующих симбиоз корневых клубеньков. Наука . 361:eaat1743. doi: 10.1126/science.aat1743

[4] ↑ Парниске, М. 2008. Арбускулярная микориза: мать корневых эндосимбиозов растений. Nat Rev Microbiol. 6: 763–75. дои: 10.1038/nrmicro1987

3.1.3.2: Корневые клубеньки - Biology LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 43026

Мелисса Ха, Мария Морроу и Камми Алжирс
Колледж Юба, Колледж Редвудс и Колледж Вентура через Инициативу открытых образовательных ресурсов ASCCC

Цели обучения

Описать симбиоз корневых клубеньков между растениями и бактериями
Объясните, почему растения не могут получать азот из богатой азотом атмосферы

Несколько различных групп прокариот формируют мутуалистические отношения с корнями растений. Азот является важным питательным веществом для растений, но во многих экосистемах его трудно получить. Хотя его много в нашей атмосфере, он образует азот (N ₂ ) имеет тройную связь с самим собой, связь, которую большинство организмов не может разорвать. Однако у некоторых бактерий есть фермент, называемый нитрогеназой, который может разрывать тройную связь и превращать азот в полезные для растений формы, такие как аммиак (NH ₃). Эти бактерии можно найти свободноживущими в окружающей среде или в мутуалистических отношениях с некоторыми растениями. Обычная связь между растениями и этими азотфиксирующими бактериями заключается в образовании корневых узелков — вздутий на корнях растений, которые соединяются с сосудистой тканью, обеспечивая обмен сахарами и питательными веществами между двумя разными организмами.

Rhizobiales и бобовые

Растения семейства бобовых ( Fabaceae ) образуют мутуалистические отношения в форме корневых клубеньков с азотфиксирующими бактериями порядка Rhizobiales .

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Клубеньки, образовавшиеся на корнях Robinia , обеспечивают безопасное место и большое количество сахаров для азотфиксирующих бактерий Rhizobium , живущих внутри. Фото Томаса Коффеля, CC-BY-NC. Рисунок \(\PageIndex{2}\): корневые клубеньки бобового растения. На первом изображении можно увидеть несколько аморфных узелков, выходящих из корней. На втором изображении один из этих узелков удален. Узелки кажутся розоватыми из-за активности леггемоглобина, транспортирующего кислород от узелка, что указывает на то, что фермент нитрогеназа активно фиксирует азот внутри. Фотографии Олив Лонг, CC-BY-NC.

Frankia and Alder

Frankia — род нитевидных бактерий, называемых актиномицетами. Клубеньки на корнях ольхи и некоторых других групп древесных растений содержат Frankia .

Рисунок \(\PageIndex{3}\): На первом изображении показаны выкопанные корни живой ольхи ( Alnus rubra ). На корнях много желто-оранжевых клубеньков, где Frankia активно фиксирует азот.