Характеристика клубеньковых бактерий бобовых растений

Клубеньковые растения
Данные палеонтологии свидетельствуют о том, что самыми древними бобовыми
культурами, имевшими клубеньки, были некоторые растения, принадлежащие к группе
Eucaesalpinioideae.
У современных видов бобовых растений клубеньки обнаружены на корнях многих
представителей семейства Papilionaceae.
Филогенетически более примитивные представители таких семейств, как Caesalpiniaceae,.
Mimosaceae, в большинстве случаев клубеньков не образуют.
Из 13 000 видов (550 родов) бобовых растений наличие клубеньков выявлено пока только
приблизительно у 1300 видов (243 рода). Сюда в первую очередь относятся виды
растений, использующиеся в сельском хозяйстве (более 200).
Сформировав клубеньки, бобовые растения приобретают способность усваивать
атмосферный азот. Однако они способны питаться и связанными формами азота —
солями аммония и азотной кислоты. Лишь одно растение — копеечник (Hedysarum
coronarium) — ассимилирует только молекулярный азот. Поэтому без клубеньков в
природе это растение не встречается.
Клубеньковые бактерии снабжают бобовое растение азотом, который фиксируют из
воздуха. Растения же, в свою очередь, поставляют бактериям продукты углеводного
обмена и минеральные соли, необходимые им для роста и развития.
В 1866 г. известный ботаник и почвовед М. С. Воронин увидел в клубеньках на корнях
бобовых растений мельчайшие «тельца». Воронин выдвинул смелые для того времени
предположения: он связал образование клубеньков с деятельностью бактерий, а усиленное
деление клеток ткани корня с реакцией растения на проникшие в корень бактерии.
20 лет спустя голландский ученый Бейеринк выделил из клубеньков гороха, вики, чины,
фасоли, сераделлы и лядвенца бактерии и изучал их свойства, проверив способность
заражать растения и вызывать образование клубеньков. Он назвал эти микроорганизмы
Bacillus radicicola. Поскольку к роду Bacillus относятся бактерии, образующие споры, а
клубеньковые бактерии лишены этой способности, А. Пражмовский переименовал их в
Bacterium radicicola. Б. Франк предложил более удачное родовое название клубеньковых
бактерий — Rhizobium (от греч. rhizo — корень, bio — жизнь; жизнь на корнях). Это
название привилось и используется в литературе до сих пор.
Для обозначения вида клубеньковых бактерий принято к родовому названию Rhizobium
добавлять термин, соответствующий латинскому названию того вида растения, из
клубеньков которого они выделены и на котором могут образовывать клубеньки.
Например, Rhizobium trifolii — клубеньковые бактерии клевера, Rhizobium lupini —
клубеньковые бактерии люпина и т. д. В тех случаях, если клубеньковые бактерии
способны образовывать клубеньки на корнях разных видов бобовых растений, т. е.
вызывать так называемое перекрестное заражение, видовое название является как бы
собирательным — в нем отражена именно эта «перекрестно заражающая» способность.
Например, Rhizobium leguminosarum — клубеньковые бактерии гороха (Pisum), чечевицы
(Lens), чины (Lathyrus).
Для клубеньковых бактерий характерно поразительное разнообразие форм полиморфность. На это обращали внимание многие исследователи, изучая клубеньковые
бактерии в чистой культуре в лабораторных условиях и почве. Клубеньковые бактерии
могут быть палочковидными и овальными. Среди этих бактерий встречаются также
фильтрующиеся формы, L-формы, кокковидные неподвижные и подвижные организмы.
Молодые клубеньковые бактерии в чистой культуре на питательных средах обычно
имеют палочковидную форму, размер палочек примерно 0,5-0,9 ? 1,2-3,0 мкм, подвижные,
размножаются делением. У палочковидных клеток клубеньковых бактерий клевера
наблюдается деление перешнуровыванием. С возрастом палочковидные клетки могут
переходить к почкованию. По Граму клетки окрашиваются отрицательно, ультратонкая
структура их типична для грамотрицательных бактерий.
При старении клубеньковые бактерии теряют подвижность и переходят в состояние так
называемых опоясанных палочек. Такое название они получили вследствие чередования в
клетках плотных и неплотных участков протоплазмы. Полосатость клеток хорошо
выявляется при просмотре в световом микроскопе после обработки клеток анилиновыми
красителями. Плотные участки протоплазмы (пояски) прокрашиваются хуже, чем
промежутки между ними. В люминесцентном микроскопе пояски светло-зеленые,
промежутки между ними не светятся и выглядят темными. Пояски могут располагаться в
середине клетки или на концах. Опоясанность клеток видна и на электроннограммах, если
препарат перед просмотром не обрабатывать контрастирующими веществами. Вероятно, с
возрастом бактериальная клетка наполняется жировыми включениями, не
воспринимающими окраску и вследствие этого обусловливающими исчерченность
клетки. Стадия «опоясанных палочек» предшествует стадии формирования бактероидов
— клеток неправильной формы: утолщенных, разветвленных, сферических, грушевидных
и колбовидных. Термин «бактероиды» ввел в литературу Дж. Брунхорст в 1885 г.,
применив его к необычным по форме образованиям, значительно более крупным, чем
палочковидные клетки бактерий, встречающимся в тканях клубеньков.
Стало известно, что симбиоз с азотфиксирующими микроорганизмами наблюдается не
только у бобовых растений, но и у злаков, сложноцветных и др. Причем роль бактерийсимбионтов не ограничивается только фиксацией атмосферного азота, они еще и
синтезируют физиологически активные вещества, стимулирующие рост и развитие
растения-хозяина (ауксины, гиббереллины, витамины, антибиотики). Микроорганизмы
участвуют в сложных биохимических процессах, протекающих в почве. Они являются
основой получения бактериальных удобрений.
Большой интерес вызывает недавно открытое явление так называемой ассоциативной
азотфиксации, когда бактерии живут не в клубеньках бобовых культур, а на поверхности
корней, в том числе таких важнейших растений, как злаковые (пшеница, рис, кукуруза,
рожь, сорго, просо), многие кормовые травы, технические и другие культуры. Процесс
азотфиксации у небобовых растений идет хотя и слабее, тем не менее имеет важное
значение, так как этими растениями засеваются огромные площади. По данным
Всесоюзного института растениеводства, урожай тимофеевки, картофеля, кормового
сорго возрастал на 15% при внесении ассоциативных азотфиксаторов. Эти
микроорганизмы обладают комплексом полезных свойств. Кроме фиксации азота воздуха,
они продуцируют ростовые вещества, повышают коэффициент использования азота
минеральных удобрений, положительно влияют на репродуктивные органы растений.
Основные симбиотические свойства клубеньковых бактерий заключены в особых
структурах - плазмидах, способных переходить из клеток одних видов бактерий в клетки
других. Открываются широкие возможности для генной инженерии, переноса плазмид в
другие почвенные микроорганизмы и на этой основе конструировать штаммы с заранее
заданными полезными свойствами.
Характеристика клубеньковых бактерий бобовых растений
Грамотрицательные. В почве они представляют собой подвижные или неподвижные
палочки и кокки, азот фиксировать не могут. Проникая и развиваясь в клетках корней, они
становятся сначала неподвижными палочками, которые с возрастом накапливают
запасные вещества и переходят в состояние так называемых опоясанных палочек (такие
клетки особенно хорошо видны у гороха). Затем из этих клеток образуются бактероиды –
клетки крупных размеров, неподвижные и различной формы, специфичной для разных
видов клубеньковых бактерий: У-образной, Т-образной, нитевидной, грушевидной и др.
Именно бактероиды обладают азотфиксирующей способностью. Клубеньковые бактерии
неспоровые, аэробы и гетеротрофы.
Из клубеньковых бактерий готовят бактериальное удобрение – нитрагин (ризоторфин,
ризобин, сапронит), которым обрабатывают семена бобовых растений перед посевом для
ускорения образования клубеньков и улучшения азотного питания растений.
Бактеризация культур производится специфичными им расами клубеньковых бактерий.
*****
Клубеньковые бактерии относятся к симбиотическим азотфиксаторам.
Они живут в клубеньках на корнях бобовых растений и способны
фиксировать азот атмосферы только в таком симбиозе. Клубеньки у одних
растений (горох, бобы) крупные, у других (клевер) мелкие, у некоторых
могут иметь вид больших бородавчатых наростов на главном корне (люпин).
Клубеньковые бактерии характеризуются специфичностью – заражают
только определенные виды бобовых растений; вирулентностью – проникают
в ткань корня, где размножаются и вызывают образование клубеньков;
активностью – способны использовать молекулярный азот.
Наиболее энергично процесс усвоения азота в клубеньках отмечается в
фазе бутонизации и цветения бобовых, когда клубеньковые бактерии
принимают форму бактероидов. Однолетние бобовые растения способны в
симбиозе с клубеньковыми бактериями накапливать за вегетационный
период на 1 га от 50 до 100 кг азота, а многолетние – 150-300 кг.
Микрокопирование. Для знакомства с клубеньковыми бактериями
готовят препараты-отпечатки или мазки из клубеньков бобовых растений.
Для этого отделяют клубеньки от корней, помещают на предметное стекло и
другим предметным стеклом раздавливают и размазывают по поверхности. У
люпина надрезают нарост на корне и делают мазок обнажённой тканью.
Фиксируют в пламени, окрашивают кристаллвиолетом (30-60 с),
рассматривают с помощью иммерсионной системы. В препаратах
отыскивают мелкие, неспоровые палочки и крупные бактероиды.
Клубеньковые бактерии относятся к роду Rhizobium. В клубеньках
люпина развиваются Rhizobium lupini, клевера – Rhizobium trifolii, гороха и
бобов – Rhizobium leguminosarum.
Характеристика
клубеньковых
бактерий
бобовых
растений.
Грамотрицательные. В почве они представляют собой подвижные или
неподвижные палочки и кокки, азот фиксировать не могут. Проникая и
развиваясь в клетках корней, они становятся сначала неподвижными
палочками, которые с возрастом накапливают запасные вещества и
переходят в состояние так называемых опоясанных палочек (такие клетки
особенно хорошо видны у гороха). Затем из этих клеток образуются
бактероиды – клетки крупных размеров, неподвижные и различной формы,
специфичной для разных видов клубеньковых бактерий: У-образной, Тобразной, нитевидной, грушевидной и др. Именно бактероиды обладают
азотфиксирующей способностью. Клубеньковые бактерии неспоровые,
аэробы и гетеротрофы.
Из клубеньковых бактерий готовят бактериальное удобрение – нитрагин
(ризоторфин, ризобин, сапронит), которым обрабатывают семена бобовых
растений перед посевом для ускорения образования клубеньков и улучшения
азотного питания растений. Бактеризация культур производится
специфичными им расами клубеньковых бактерий.
Зарисовывают в тетради и подписывают бактероиды различных видов
клубеньковых бактерий.