научная статья по теме ЭНДОФИТНЫЕ БАКТЕРИИ В МИКРОБНЫХ ПРЕПАРАТАХ, УЛУЧШАЮЩИХ РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «ЭНДОФИТНЫЕ БАКТЕРИИ В МИКРОБНЫХ ПРЕПАРАТАХ, УЛУЧШАЮЩИХ РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ (ОБЗОР)»

ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2015, том 51, № 3, с. 283-289

УДК 579.64:58.071

ЭНДОФИТНЫЕ БАКТЕРИИ В МИКРОБНЫХ ПРЕПАРАТАХ, УЛУЧШАЮЩИХ РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ (ОБЗОР)

© 2015 г. В. К. Чеботарь*, **, Н. В. Мальфанова*, ***, А. В. Щербаков*, **, Г. А. Ахтемова*, А. Ю. Борисов*, Б. Люгтенберг***, И. А. Тихонович*

*Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии,

Санкт-Петербург, Пушкин, 196608 **Международный научный центр "Биотехнологии третьего тысячелетия", Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО),

Санкт-Петербург, 191002 ***Институт биологии, Лейденский университет, Лейден, 2333 BE8, Нидерланды

e-mail: vladchebotar@rambler.ru Поступила в редакцию 20.08.2014 г.

В обзоре рассмотрены данные о возможности использования эндофитных бактерий для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и их качества.

Ключевые слова: эндофитные бактерии, ассоциации растений с микроорганизмами, инокуляция эн-дофитными микроорганизмами.

DOI: 10.7868/S0555109915030058

Ассоциации растений с микроорганизмами, не подавляющими (и даже стимулирующими) их развитие, привлекают внимание ученых не только с точки зрения изучения фундаментальных основ сосуществования и взаимодействия различных организмов, но и возможного их использования в практике экологически ориентированного производства сельскохозяйственных продуктов.

Каждый ассоциированный с растением микроорганизм, являясь эволюционно выверенным компонентом сложной растительно-микробной системы, выходящей за рамки одного растения [1], оказывает существенное влияние на биологическую структуру и функционирование всей системы [2]. Микроорганизмы, существующие внутри растения, включая надземную и подземную части и семена, и благотворно влияющие на его развитие определяют как эндофитные. Они используют внутреннюю среду растения (эндосферу) в качестве уникальной экологической ниши, защищающей их от изменений внешней среды, которая сформировалась в результате сотен миллионов лет совместной эволюции [3, 4]. Эти микроорганизмы могут передаваться в поколениях от предков к потомкам, являясь неотъемлемой частью эндосферы растительного организма.

К эндофитным относятся только те микроорганизмы, которые способны колонизировать внутренние ткани растения, не вызывая при этом его заболеваний и не оказывая отрицательного влияния на его развитие [5, 6]. В мире существует около 300000 видов растений, и каждый из них

может являться хозяином для одного и более видов эндофитных микроорганизмов. Однако до последнего времени достаточно полно изучены лишь некоторые из них в нескольких видах растений [7, 8]. В настоящее время пристальное внимание ученых уделяется эндофитным грибам [9] и бактериям [10, 11].

В последнее десятилетие большинство сельскохозяйственно ориентированных исследований было направлено на изучение ризосферных микроорганизмов [12—14]. Среди них бактерии являются наиболее технологичными как с точки зрения производства, так и применения микробных препаратов в сельском хозяйстве [15]. Это открывает перспективы использования прокариоти-ческих микроорганизмов, благотворно влияющих на развитие растений в различных условиях [10].

Эндофитные бактерии колонизируют те же экологические ниши в растении, что и болезнетворные микроорганизмы, и поэтому являются перспективным биологическим средством для борьбы с фитопатогенами, то есть являются так называемым "биоконтрольным" агентом [14, 16, 17]. Установлено, что бактериальные эндофиты способны ингибировать развитие насекомых-фитофагов [18] и нематод [19, 20], подавляя их действие путем синтеза биологически активных соединений, обладающих "антипатогенным" действием. Изучение "биохимического оружия" таких бактерий позволит выделить и идентифицировать те химические соединения, которые могут быть использованы при создании новых препаратов для

борьбы с болезнями растений, животных и даже человека [7, 8]. Некоторые штаммы эндофитных бактерий нашли применение при фиторемедиа-ции почв, то есть очистке техногенно загрязненных территорий путем создания специальных растительно-бактериальных систем [10, 21—25].

В обзоре систематизированы литературные данные об эндофитных бактериях и их использовании при разработке новых микробных препаратов, которые можно будет применять в практике сельского хозяйства.

Биоразнообразие эндофитных бактерий. Нишу эндофитов могут занять лишь те бактерии, которые способны колонизировать межклеточные пространства различных частей растения, и даже семян. Классические исследования биоразнообразия эндофитных бактерий основывались на характеристике изолятов, полученных из внутренних тканей различных растений после их тщательной поверхностной стерилизации [26, 27]. Бактериальные эндофиты включают как грамположительные, так и грамотрицательные виды, выделяемые из широкого спектра растений-хозяев [28, 29].

Эндофитные бактерии были выделены как из однодольных, так и двудольных растений; как древесных, таких как дуб (Quercus L.) и груша (Pyrus L.), так и травянистых, таких как сахарная свекла (Beta vulgaris L.) и кукуруза (Zea mays L.) [30]. Так, при анализе тканей надземной части шафрана весеннего (Crocus vernus (L.) Hill) было установлено присутствие сообщества бактериальных эндофитов, как ранее известных, так и до настоящего времени не определенных [31].

Изучение микробных сообществ эндофитов, населяющих стебли, корни и клубни сельскохозяйственных культур с помощью анализа последовательности гена 16S РНК и состава жирных кислот, а также утилизации различных источников углерода показало, что они представлены родами Cellulomonas, Clavibacter, Curtobacterium, Pseudomonas и Microbacterium [32].

Высокая плотность культивируемых эндофитных бактерий была обнаружена в проростках тополя (Populus L.), ели (Picea A. Dietr.) и лиственницы (Larix Mill.), выращенных из культуры ткани [33]. На основании анализа последовательности гена 16S РНК большинство этих изолятов было отнесено к роду Paenibacillus, к видам близким к P. humi-cus, которые накапливались в тканях in vitro без видимого негативного эффекта на растения. Были обнаружены также эндофитные бактерии из родов Methylobacterium, Stenotrophomonas и Bacillus.

Анализ последовательности гена 16S РНК у эндофитных бактерий риса (Oryza sativa L.) показал, что они относятся к различным субклассам Proteobacteria (в частности, рода Cytophaga и Flexi-bacter), группам Deinococcus-Thermus и Acidobacte-ria и археям. Наиболее многочисленной была

группа Betaproteobacteria (27% от всех изолятов), в которой доминировал род Stenotrophomonas. Около 15% всех изолятов относились к некультивиру-емым видам бактерий [34].

При изучении эндофитных бактерий в стеблях кукурузы, выращиваемой в тропиках Индии [35], было обнаружено, что они присутствуют в течение всего вегетационного периода, и их численность составляет 1.36—6.12 х 105 КОЕ/г сырой биомассы (КОЕ — единица, образующая колонию, то есть количество клеток, способных к росту на искусственных питательных средах). На основании хроматографического анализа состава жирных кислот бактериальных изолятов было установлено, что в них преобладают Bacillus pumilus, B. subtilis, Pseudomonas aeruginosa и P. fluorescens [35].

При исследовании кукурузы (Zea mays L.), сорго (Sorghum vulgare Moench), сои (Glycine max (L.) Merr.), пшеницы (Triticum vulgare L.) и ряда дикорастущих растений (злаковые и бобовые травы) были изолированы 853 штамма бактериальных эндофитов, примерно половина которых относилась к грамположительным, а другая — к грамот-рицательным бактериям. Анализ состава жирных кислот позволил отнести изоляты эндофитов к 15 родам: Agrobacterium, Bacillus, Bradyrhizobium, Cellulomonas, Clavibacter, Corynebacterium, Enterobacter, Erwinia, Escherichia, Klebsiella, Microbacterium, Micrococcus, Pseudomonas, Rothia и Xanthomonas. При этом доминировали Bacillus, Corynebacterium и Microbacterium [36]. Эндофитные бактерии из родов Cellulomonas, Clavibacter, Curtobacterium, и Microbacterium, выделенные как из культурных, так и дикорастущих растений, предпочтительно колонизировали растения кукурузы и сорго [36].

Таким образом, данные, приведенные выше, позволяют оценить масштабы разнообразия бактериальной эндофитной микрофлоры, существующей в составе сложных взаимовыгодных растительно-микробных систем, а также количество изолятов, способных к росту на искусственных питательных средах.

Искусственная инокуляция растений эндофит-ными бактериями и колонизация эндосферы растений. Изучение искусственной инокуляции растений бактериальными эндофитами, ранее выделенными в культуру, является основой для выбора штаммов, наиболее перспективных с точки зрения технологического применения. Были разработаны специальные методы анализа способности эндофитных бактерий колонизировать эндо-сферу после инокуляции поверхности листьев и плодов деревьев какао (Theobroma cacao L.) [37].

Оказалось, что после инокуляции кукурузы штаммами доминирующих бактериальных эндофитов (B. pumilus, B. subtilis, P. aeruginosa и P. fluo-rescens) общая численность популяции бактерий в проростках, выращенных в теплице, была ниже

(1.6—3.1 х 105 КОЕ/г сырой биомассы стеблей), чем в проростках, выращенных в полевых условиях (1.8—3.6 х 105 КОЕ/г). Наибольшая плотность эндофитных бактерий (3.1 х 105 КОЕ/г) наблюдалась через 28 сут после инокуляции B. subtilis [35]. Это свидетельствует о регуляции растением взаимодействий с определенными эндофитными бактериями и существовании специфических пар бактерия/растение-хозяин.

Для изучения структурных изменений эндосфе-ры растения и пространственного распределения микроорганизмов при развитии и функционировании растительно-микробных систем необходимы методы прижизненного анализа биологического материала. Одна из таких маркерных систем включает введение метки зеленым флуоресцирующим белком (GFP, green fluorescent protein), которая позволяет обнаружить и подсчитать микроорганизмы in situ на поверхности и внутри растений в ходе различных лабораторных,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком