РОЛЬ БАКТЕРИАЛЬНОЙ АЦК-ДЕЗАМИНАЗЫ В ПОВЫШЕНИИ

Вестник БГУ. Сер. 2. 2011. № 2
Таблица 4
УДК 579.83+632.937
М. САДРНИЯ (ИРАН), С.С. ЖАРДЕЦКИЙ, Е.А. ХРАМЦОВА, Н.П. МАКСИМОВА*
РОЛЬ БАКТЕРИАЛЬНОЙ АЦК-ДЕЗАМИНАЗЫ В ПОВЫШЕНИИ УСТОЙЧИВОСТИ
РАСТЕНИЙ К СТРЕССОВЫМ ФАКТОРАМ СРЕДЫ
P. mеndocina (рАСD) strain was recommended for the increasing of tomato plant growth data in stress environmental condition – saline and soil contamination by Cr, Cu and Pb.
Одним из механизмов, который используется ризосферными бактериями для стимуляции роста
растений, является снижение уровня растительного гормона этилена путем дезаминирования непосредственного его предшественника – 1-аминоциклопропан-1-карбоксилата (АЦК), синтезируемого
в тканях растений. Эту реакцию осуществляет 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат-дезаминаза
(АЦК-дезаминаза) – ключевой фермент системы этилензависимой регуляции роста растений, который превращает АЦК в α-кетобутират и аммиак [1].
Этилен в определенных дозах необходим растениям для их нормального роста и развития. Вместе
с тем при избыточном накоплении этилена в растительных тканях (в случае выработки «стрессового
этилена») эффект становится негативным – ускоряются процессы старения, усиливается опадание
листьев и плодов, подавляется развитие корней и проростков, замедляется развитие растения в целом.
Образование стрессового этилена в растительном организме индуцируется при повреждении тканей,
а также под влиянием различных внешних факторов, включая инфекции, засуху, засоление почвы, загрязнение ее отходами производства, пестицидами, тяжелыми металлами и др. [2].
*
62
Авторы статьи – сотрудники кафедры генетики.
Биология
Известным способом снижения уровня стрессового этилена у растений является использование
химических препаратов, которые подавляют образование этого гормона в тканях. Кроме того, в последнее время ведутся работы по созданию трансгенных растений, приобретающих устойчивость к
стрессовому этилену благодаря клонированию в их геноме бактериального acdS-гена, кодирующего
АЦК-дезаминазу [3]. Однако этот подход к защите растений от стрессового этилена достаточно
трудоемкий и еще не получил широкого применения на практике.
Более экономичным, экологически безопасным и простым способом снижения уровня стрессового
этилена у растений, стимуляции их роста и повышения урожайности является использование микробных препаратов, содержащих микроорганизмы, синтезирующие АЦК-дезаминазу и оказывающие
положительное действие на растения, находясь в прикорневой зоне. Цель данной работы – изучение
влияния бактериальной АЦК-дезаминазы на повышение устойчивости растений к солям тяжелых
металлов в производственных условиях.
Материал и методика
В качестве объектов исследований использовали штаммы ризосферных бактерий Pseudomonas
mendocina ВКМВ 1299 и Pseudomonas mendocina (pACD) из коллекции кафедры генетики биологического факультета БГУ.
Культивирование бактерий осуществляли в питательном бульоне, приготовленном на основе сухого концентрата, производства фирмы ФГУП «НПО Микроген». Минимальные среды готовили по
методике, приведенной в методическом руководстве [4]. В качестве солевого концентрата использовали среду 4Х [4]. Среды стерилизовали автоклавированием при 1,5 атм в течение 30 мин.
Изучение влияния ризосферных бактерий P. mendocina (pACD) на солеустойчивость растений томатов и пшеницы в производственных условиях проводили по следующей методике: семена томатов
и пшеницы высевали во влажный грунт. После 1 недели роста рассада одинакового размера была
отобрана и пересажена в пластмассовые емкости объемом 10 л и обработана раствором NaСl в концентрации 207 ммоль/л. Спустя три дня рассада была разделена на 4 части. Одна часть была обработана бактериальной суспензией P. mendocina (pACD), другая – бактериальной суспензией P. mendocina (К2), третью часть растения оставили без внесения соли и бактерий (К3), четвертую обрабатывали 40 мл дистиллированной воды (К1). Результаты учитывали по истечении 9 недель.
Изучение влияния ризосферных бактерий на устойчивость растений томатов и пшеницы к загрязнению почвы солями тяжелых металлов в производственных условиях проводили следующим образом: семена томатов проращивали в чашках Петри на влажной фильтровальной бумаге. Затем проросшие семена высевали в грунт в отдельные пластмассовые емкости объемом 10 л. Часть растений
использовали для контроля, грунт в остальных емкостях предварительно был загрязнен солями тяжелых металлов в концентрациях, превышающих ПДК в 2–5 раз: Cr (0,2 г/кг), Cu (0,36 г/кг),
Pb (0,24 г/кг). В эксперименте использовали растворимые в воде соли тяжелых металлов K2Cr2O7,
CuSO4 · 5H2O, Pb(СН3СОО)2. Затем эти емкости были разделены на 3 части. Одна часть была обработана бактериальной суспензией P. mendocina (pACD), другая – бактериальной суспензией P. mendocina, третья – дистиллированной водой. В дальнейшем все растения томатов обрабатывали только
дистиллированной водой по мере необходимости. Результаты учитывали по истечении 9 недель.
Результаты и их обсуждение
При изучении влияния ризосферных бактерий P. mendocina (pACD) на солеустойчивость растений
томатов было показано, что засоление почвы вызывает уменьшение длины стебля и корней томатов, а
также их биомассы. Как видно из данных, представленных в табл. 1, обработка растений томатов
культурой бактерий P. mendocina (pACD) приводит к значительному повышению устойчивости растений к высокой концентрации соли в почве.
Таблица 1
Изучение способности бактерий P. mendocina (рАСD) повышать устойчивость растений томатов
к солевому стрессу
Параметры
Длина стебля, см
Длина корня, см
Масса, г
1
5,0±1,7
2,0±0,8
0,13±0,03
Контроль
2
22,3±3,3
9,9±2,7
12,1±3,4
3
57,8±8,3
34,4±5,1
60,7±9,0
P. mendocina (pACD)
36,5±5,8
28,0±3,9
20,1±4,5
П р и м е ч а н и е . Здесь и в табл. 2 концентрация соли 207 ммоль/л. Контроль: 1 – растения, обработанные водой,
2 – суспензией бактерий P. mendocina, 3 – почва без внесения соли и бактерий.
63
Вестник БГУ. Сер. 2. 2011. № 2
Растения, обработанные бактериальной суспензией
P. mendocina (pACD), имели почти в 2,8 раза большую длину корня, в 1,7 – стебля и биомассу по сравнению с растениями, обработанными бактериями
P. mendocina дикого типа (табл. 1).
Особенно наглядно защитные свойства штамма
видны при сравнении ростовых характеристик растений томатов, обработанных культурой бактерий
штамма P. mеndocina (рАСD), и растений без бактериальной обработки. В этом случае увеличение длины
стебля достигает 7 раз, корней – в 14 раз, а биомассы
– в 154 раза (рис. 1, см. табл. 1).
1
2
3
4
Аналогичным образом были проведены исследования на растениях пшеницы.
Рис. 1. Влияние штамма P. mendocina (pACD)
При концентрации соли 207 мM растения, обрабона солеустойчивость растений томатов, выращенных
на засоленной почве и обработанных: 1 – водой,
танные суспензией P. mendocina (рАСD), по сравне2 – суспензией бактерий P. mendocina, 3 – суспензией нию с обработанными P. mendocina имели на 38,8 %
бактерий P. mendocina (pACD), 4 – выращенных
большую длину стебля, на 23,3 % – корня и на
на незасоленной почве
28,6 % – биомассу (табл. 2).
Полученные нами данные показывают, что бактерии P. mendocina (рАСD) значительно повышают
устойчивость к солевому стрессу растений томатов и в меньшей степени – растений пшеницы.
Таблица 2
Способность бактерий P. mendocina (рАСD) повышать устойчивость растений пшеницы
к солевому стрессу в производственных условиях
Контроль
Параметр
Длина стебля, см
Длина корня, см
Масса, г
1
2
47,0±5,1
20,1±2,7
2,1±0,5
50,2±4,8
17,2±1,9
2,1±0,5
P. mendocina (pACD)
3
69,5±5,5
22,1±3,0
2,2±0,5
69,7±5,9
21,2±3,0
2,7±0,6
П р и м е ч а н и е . Контроль: 1 – растения, обработанные водой; 2 – суспензией бактерий P. mendocina; 3 – почва без добавления соли.
На следующем этапе работы изучалось влияние штамма P. mendocina (pACD) на повышение устойчивости растений томатов к солям тяжелых металлов в производственных условиях (результаты
представлены в табл. 3, 4 и на рис. 2). Согласно полученным данным, в случае загрязнения почвы солями меди растения томатов, обработанные бактериальной суспензией P. mendocina (pACD), по
сравнению с растениями без бактериальной обработки имели почти на 18 % большую длину корня,
на 21 % – длину стебля и на 35 % – биомассу.
а
б
в
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Рис. 2. Растения томатов, выращенные в условиях загрязнения почвы солями тяжелых металлов: а – Cu, б – Cr, в – Pb
и обработанные: 1 – водой, 2 – суспензией бактерий P. mendocina, 3 – суспензией бактерий P. mendocina (pACD),
4 – выращенные на почве, не загрязненной солями тяжелых металлов
64
Биология
Таблица 3
Влияние штамма P. mendocina (pACD) на повышение устойчивости растений томатов
к солям тяжелых металлов (Сu, Cr) в производственных условиях
Загрязнение почвы Cu
Загрязнение почвы Cr
Контроль
Культура
P. mendocina
1
2
(рАСD)
Контроль
Параметры
Культура P. mendocina (рАСD)
Не загрязненная
металлами почва
1
2
Длина стебля, см
56,4±4,1
66,2±5,2
68,6±6,1
53,2±3,8
65,1±5,1
72,6±5,8
74,2±4,9
Длина корня, см
13,9±2,3
15,7±2,9
16,4±3,0
9,8±1,7
13,0±2,1
17,0±3,2
15,0±3,1
Биомасса, г
13,8±1,2
17,8±1,4
18,7±1,6
21,3±1,8
38,9±2,7
38,9±2,7
32,8±2,2
П р и м е ч а н и е . Контроль: 1 – растения, обработанные водой; 2 – средой; 3 – культурой бактерий P. mendocina.
В случае загрязнения хромом растения, обработанные бактериальной суспензией P. mendocina
(pACD), по сравнению с растениями без бактериальной обработки показали на 36,5 % большую длину
стебля, на 24,5 % большую длину корня и на 82 % большую биомассу, а по сравнению с растениями, обработанными P. mendocina, на 11 % большую длину стебля, на 69 % – корня и на 17 % – биомассу.
Таблица 4
Влияние штамма P. mendocina (pACD) на повышение устойчивости растений томатов
к солям тяжелых металлов (Pb) в производственных условиях
Параметр
1
Загрязнение почвы (Pb)
Контроль
2
3
P. mendocina (pACD)
Длина стебля, см
55,0±4,3
61,0±5,8
74,2±6,2
71,8±6,5
Длина корня, см
12,0±1,1
13,2±1,6
15,0±1,8
24,0±3,4
Масса, г
31,4±3,2
20,3±2,8
32,8±4,0
40,1±5,2
П р и м е ч а н и е . Контроль: 1 – растения, обработанные водой; 2 – суспензией бактерий P. mendocina.
В случае загрязнения свинцом у растений, обработанных бактериальной суспензией P. mendocina
(pACD), по сравнению с растениями без бактериальной обработки наблюдается увеличение на 30,5 %
длины стебля, на 200 % – корня и на 27,7 % – биомассы.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что у растений томатов на загрязненной тяжелыми металлами почве, обработанной суспензией бактерий P. mendocina (pACD), степень подавления
роста была гораздо меньше. Это говорит о том, что данные бактерии могут уменьшить некоторые негативные эффекты стресса, вызванного токсичностью тяжелых металлов.
Аналогичным образом был проведен эксперимент по определению влияния АЦК-дезаминазы,
продуцируемой P. mendocina 9.40 (pACD), на рост и развитие растений пшеницы, выросших в грунте,
загрязненном тяжелыми металлами.
Полученные данные показывают, что в случае загрязнения грунта солями меди растения, обработанные бактериальной суспензией P. mendocina (pACD), по сравнению с растениями, обработанными
P. mendocina, имели почти в 49 % большую биомассу, 17,3 % – длину стебля и 20,1 % – длину корня,
а по сравнению с растениями без бактериальной обработки имели почти на 28,9 % большую длину
корня, на 22,5 % – стебля и на 55,7 % – биомассу.
В случае загрязнения солями хрома растения, обработанные бактериальной суспензией
P. mendocina (pACD), по сравнению с растениями без бактериальной обработки показали на 39,7 %
большую длину стебля, на 10,1 % – длину корня и на 50,6 % – биомассу.
В грунте, загрязненном солями свинца, растения, обработанные бактериальной суспензией
P. mendocina (pACD), по сравнению с растениями, обработанными P. mendocina, имели почти на
20,1 % большую длину стебля, на 19 % – длину корня и на 54,7 % – биомассу по сравнению с растениями, выращенными на незагрязненной почве. Если сравнивать растения, обработанные суспензией
бактерий P. mendocina (pACD), с растениями без бактериальной обработки, то можно видеть, что они
имели на 24,8 % большую длину стебля, на 45,9 % – корня и на 59 % – биомассу.
65
Вестник БГУ. Сер. 2. 2011. № 2
Таким образом, в производственных условиях особенно эффективным является использование
штамма P. mеndocina (рАСD) для защиты растений от засоления: при концентрации хлорида натрия
207 ммоль/л ростовые показатели растений томата повышаются в 7÷154 раза (увеличение длины стебля
в 7 раз, корней – в 14 раз, биомассы – в 154 раза), а в условиях засорения почвы солями тяжелых металлов Cr, Cu и Pb – в среднем в 1,2÷1,8 раза. Эффективность защитного действия штамма P. mеndocina
(рАСD) в отношении растений пшеницы в производственных условиях является менее эффективной –
ростовые показатели испытуемых растений в этих условиях не превышают 1,1÷1,6 раза.
1. Г л и к Б . , П а с т е р н а к Д ж . // Молекулярная биотехнология: Принципы и применение. М., 2002.
2. Y a n g S . F . , H o f f m a n N . E . // Annu. Rev. Plant Physiol. 1984. Vol. 35. P. 155.
3. S t e a r n s J . C . , G l i c k B . R . // Biotechnol. Adv. 2003. Vol. 21. P. 193.
Поступила в редакцию 12.04.11.
Марьям Садрния – аспирант. Научный руководитель – Н.П. Максимова.
Сергей Станиславович Жардецкий – научный сотрудник.
Елена Аркадьевна Храмцова – кандидат биологических наук, доцент.
Наталья Павловна Максимова – доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой.
66