научная статья по теме ВЛИЯНИЕ КАДМИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ БОБОВО-РИЗОБИАЛЬНЫХ СИМБИОЗОВ Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ КАДМИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ БОБОВО-РИЗОБИАЛЬНЫХ СИМБИОЗОВ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2015, № 5, с. 538-543

= ЭКОЛОГИЯ

УДК 581.5

ВЛИЯНИЕ КАДМИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ БОБОВО-РИЗОБИАЛЬНЫХ СИМБИОЗОВ

© 2015 г. О. В. Чубукова, Б. Н. Постригань, А. Х. Баймиев, А. В. Чемерис

Институт биохимии и генетики УНЦ РАН, 450054 Уфа, просп. Октября, 71

E-mail: chubukova@bk.ru Поступила в редакцию 11.11.2014 г.

Проведен скрининг клубеньковых бактерий (ризобий), вступающих в симбиоз с бобовыми растениями в целях выявления штаммов, обладающих устойчивостью к ионам кадмия в широком диапазоне его концентраций (6—132 мг/кг). В условиях лабораторного опыта изучено влияние солей кадмия (6, 12, 24 мг/кг) на развитие бобово-ризобиального симбиоза гороха посевного Pisum sativum L. с клубеньковыми бактериями Rhizobium leguminosarum и козлятника восточного Galega orientalis Lam. с Rhizobium galegae. В данном диапазоне концентраций не выявлено статистически достоверных различий в росте и биомассе растений по отношению к контролю, но установлено, что кадмий оказывал ингибирующее действие на нодуляцию у гороха посевного и стимулировал клубенькооб-разование у козлятника восточного.

DOI: 10.7868/S0002332915050045

Проблема загрязнения сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами (ТМ) актуальна на протяжении последних десятилетий. Связано это в первую очередь с негативным влиянием ТМ на продуктивность сельскохозяйственного растениеводства и на качество продукции этой отрасли. Источниками такого рода загрязнений, с одной стороны, являются развивающаяся промышленность и автомобильный транспорт, а с другой — интенсификация сельскохозяйственного растениеводства, когда за счет использования большого количества минеральных удобрений, особенно фосфорных, в почву попадают и ТМ (Власюк, 1969; Ринькис и др., 1989). Наиболее существенный среди ТМ загрязнитель — кадмий, поскольку он характеризуется высокой мобильностью и токсическим действием на живые организмы.

В естественных условиях все растения находятся в симбиозе с микроорганизмами, будь то грибы, водоросли или бактерии. Повреждающие механизмы действия кадмия весьма разнообразны и проявляются на организмах растительно-микробного сообщества по-разному. У растений влияние кадмия проявляется в угнетении роста, торможении фотосинтеза, хлорозе листьев и т.д. (Мельничук, 1990). Микроорганизмы в меньшей степени подвержены негативному влиянию данного элемента. Этому в немалой степени способствует выработанный ими комплекс механизмов устойчивости, основанный на выводе токсикантов из клеточного пространства и изменении валентности ионов металла для перевода в менее токсичные формы (Белимов, Тихонович, 2011).

Важную роль в устойчивости бактерий играет также их способность сорбировать ионы ТМ на поверхности клеточной стенки или иммобилизовать их вне клетки с помощью различных механизмов (Robinson et al., 2001). Поэтому нередки случаи использования ростостимулирующих бактерий с высокой устойчивостью к ТМ в качестве защиты растений от пагубного воздействия данных ионов металлов (Белимов и др., 2004; Khan etal., 2009). Однако самый чувствительный к действию ксенобиотиков — механизм становления симбиотических взаимоотношений растений и бактерий. Наиболее удобной моделью для отслеживания данного процесса является симбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми растениями, при котором на корнях растений образуются специализированные структуры — клубеньки. Находящиеся в клубеньках бактерии фиксируют атмосферный азот, превращая его в минеральную форму, доступную для растений. В этом случае эффективность клубенькообразования может стать индикатором негативного воздействия ТМ на становление данных взаимоотношений. Например, известны работы, в которых предлагается использовать эффективность образования клубеньков у люцерны при взаимодействии с бактериями Sinorhizobium (Ensifer) meliloti в качестве меры загрязненности почвы (Neumarm et al., 1998).

Бобовые растения рассматриваются и как возможные кандидаты для биоремедиации почв от различных загрязнителей. Например, для системы Galega—Rhizobium galegae показана способ-

ность к очищению почв от нефтяных загрязнений, для сои Glycine max и ее симбионта Bdyrhizo-bium japonicum — способность к очищению почв, загрязненных мышьяком (Suominen et al., 2000; Reichman, 2007). Известно, что фиторемедиация требует использования растений с высокой биомассой и быстрыми темпами роста, повышенной устойчивостью к токсическому воздействию ТМ. Следовательно, бобовые растения могут стать достойными кандидатами для участия в этом процессе.

Необходимо отметить, что влияние различных ксенобиотиков, в том числе ТМ, по-разному сказывается на урожайности бобовых растений в зависимости от их видовой принадлежности (Beli-mov et al., 2003). Возможно, в этом случае немаловажную роль играет устойчивость к ТМ не только самого растения, но и его микросимбионтов, от эффективности симбиоза с которыми продуктивность бобовых растений в большинстве случаев находится в прямой зависимости. Данные об устойчивости симбиотических систем могут стать полезными при выборе пары растение—микросимбионт для разработки основ бобово-ризоби-альной фиторемедиации почвы.

Цель работы — выявление наиболее устойчивых к действию ионов кадмия штаммов клубеньковых бактерий, а также анализ влияния данного элемента на симбиотические системы, образованные этими микроорганизмами и их растениями-хозяевами.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объекты исследования — бобовые растения горох посевной Pisum sativum L. сорта Чишмин-ский ранний и козлятник восточный Galega orientals Lam. сорта Гале, а также штаммы клубеньковых бактерий из коллекции микроорганизмов ИБГ УНЦ РАН: пять штаммов, относящихся к виду Rhizobium leguminosarum и выделенных из клубеньков бобовых растений трибы Viceae; пять штаммов, относящихся к виду R. galegae и выделенных из клубеньков козлятника восточного G. orientalis Lam.; пять штаммов, относящихся к роду Sinorhizobium (Ensifer) и выделенных из клубеньков растений родов люцерна Medicago L. и донник Melilotus Mill; пять штаммов, относящихся к роду Bradyrhizobium и выделенных из клубеньков люпина многолистного Lupinus polyphyl-lus Lindl.; пять штаммов, относящихся к роду Me-sorhizobium и выделенных из клубеньков растений родов астрагал Astragalus L. и лядвенец Lotus L.

Для оценки устойчивости бактерий к ТМ ри-зобии культивировали при 28°С на жидкой питательной среде TY (1%-ный бактотриптон, 0.1%-ный дрожжевой экстракт, 0.1% CaCl2) с добавлением водного раствора соли Cd(CH3COO)2 (0—132 мг/кг).

После 24, 48 и 72 ч инкубации бактерий в среде, содержащей разные концентрации ионов кадмия, проводили замер оптической плотности среды на спектрофотометре марки BioSpec-mini (Shimadzu, Япония) при длине волны 600 нм. Интенсивность роста бактерий оценивалась по значениям оптической плотности. Растения выращивали на стерильном универсальном питательном грунте TERRA VITA (ФАРТ, Россия) на светоплощадке при 25°С, длине светового дня 12 ч и освещенности 103 лк.

Семена гороха и козлятника проращивали в течение 15 сут в условиях светоплощадки. Затем саженцы пересаживали в грунт, в который вносили водный раствор соли кадмия уксусно-кислого в концентрациях 6, 12, 24 мг/кг, что соответствовало вариантам Cd6, Cd12, Cd24. В качестве контроля использовали растения без внесения кадмия (Cd0). При пересадке саженцы гороха и козлятника инфицировали бактериями R. leguminosarum и R. galegae соответственно путем обмакивания корня в суспензию ризобий с оптической плотностью OD600 = 1.1, находящихся в логарифмической фазе роста.

Замеры массы, длины растений и числа клубеньков проводили в течение 72 сут через каждые 12 сут. При каждом измерении отбирали по 10 растений одного варианта. У каждого растения измеряли длину и массы надземной и подземной частей, а также подсчитывали число клубеньков на корневой системе.

Статистическую обработку данных осуществляли методом расчета стандартных отклонений с помощью программы Microsoft Office Excel. На рисунках приведены средние значения величин.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При культивировании бактерий на питательных средах было установлено, что анализируемые штаммы характеризуются разной устойчивостью к токсическому действию ионов кадмия. Наиболее чувствительными оказались штаммы, принадлежащие к родам Bradyrhizobium и Mesorhizobi-um, рост которых прекращался при концентрации Cd2+ в питательной среде 75 мг/кг. Немного большая устойчивость отмечена у представителей рода Sinorhizobium (Ensifer), у которых летальная концентрация ионов кадмия составила 90 мг/кг. Наиболее высокая устойчивость была обнаружена у штаммов R. leguminosarum и R. galegae, полное ингибирование роста которых происходило только при концентрациях 120 и 132 мг/кг солей кадмия, соответственно (таблица). При этом у R. galegae была отмечена большая устойчивость к Cd2+ по сравнению с таковой у R. leguminosarum. По-видимому, микросимбионты козлятника восточного обладают мощной системой инактивации

Рост ризобиальных штаммов на средах с различными концентрациями Cd2+

Вид бактерии Штамм Концентрация Cd2+ в среде, мг/кг

75 90 100 120 130

Rhizobium leguminosarum A03/1 +++ ++ - - -

A03/2 +++ ++ + - -

A03/3 +++ ++ - - -

A08/8 +++ ++ + - -

A08/9 +++ ++ - - -

Mesorhizobium sp. A05/2 - - - - -

A05/3 ++ + - - -

A10/2 - - - - -

A9/3 - - - - -

A05/4 - - - - -

Bradyrhizobium sp. Lul - - - - -

Lu2 - - - - -

Lu3 + - - - -

Lu4 - - - - -

Lu5 - - - - -

Rhizobium galegae 0002 +++ +++ ++ - -

Kzl +++ +++ ++ + -

Kz2 +++ +++ ++ + -

Kz3 +++ +++ ++ + -

Kz4 +++ ++ ++ - -

Sinorhizobium sp. A09/1 ++ - - - -

A09/2 ++ - - - -

A09/3 ++ - - - -

A09/4 ++ - - - -

A09/5 + - - - -

Примечание. Число знаков "+" соответствует интенсивности роста бактерий в среде, "—" — отсутствие роста.

токсичных компонентов в почве, что делает их менее восприимчивыми к различного рода ксенобиотикам. Об этом же свидетельствуют результаты Суоминена с соавт. (8иош1пеп г1 а1, 2000), показывающие, что бактерии Я. galegae обладают значительно меньшей чувствительностью к загрязнению нефтепродуктами по срав

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

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»