УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2012, том 132, № 3, с. 268-281
УДК 576.851.1:581.13: 581.143
МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ ПРИ ИНОКУЛЯЦИИ РОСТСТИМУЛИРУЮЩИМИ РИЗОСФЕРНЫМИ БАКТЕРИЯМИ
РОДА PSEUDOMONAS
© 2012 г. В.П. Шабаев
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, Московская обл. E-mail: VPSH@rambler.ru
Рассмотрено влияние инокуляции ростстимулирующими ризосферными бактериями р. Pseudomonas на минеральное питание и потребление растениями питательных элементов из почвы. Установлено, что бактерии увеличивают потребление растениями элементов, главным образом, вследствие непосредственного влияния на их доступность в почве, а также усиления поглотительной и выделительной деятельностей корневой системы, связанной с повышенной секрецией фенольных соединений. Улучшение минерального питания растений при внесении ростстимулирующих ризосферных бактерий р. Pseudomonas увеличивает урожай растений. Инокуляция бактериями позволяет уменьшить дозы минеральных удобрений в 1.5-3 раза при выращивании зерновых и корнеплодных растений без потерь их биомассы и исключить применение микроудобрений.
Ключевые слова: Pseudomonas, индолилуксусная кислота, фенолы, взаимодействие растение -микроорганизм, рост растений, минеральное питание, азотфиксация.
ВВЕДЕНИЕ
Многочисленными исследованиями установлена стимуляция роста растений при внесении ризосферных бактерий р. Pseudomonas как агентов биоконтроля - защиты растений от фитопа-тогенных микроорганизмов [16, 36, 46]. Помимо этого, бактерии стимулируют рост растений в результате образования физиологически активных соединений - гормонов роста, в частности, индо-лилуксусной кислоты (ИУК) [15, 29, 35, 48]. Стимуляция роста инокулированных бактериями растений связана также с увеличением доступности и поглощения ими фосфора и других питательных элементов из почвы [29, 48] и активизацией микробиологической азотфиксации [17, 20]. Если действие ростстимулирующих ризосферных бактерий р. Pseudomonas, как агентов биоконтроля, исследовано достаточно детально [16, 36, 42], механизмы стимуляции роста растений под влиянием бактериальной ИУК и минерального питания инокулированных растений изучены недостаточно. В большинстве проведенных исследований сообщается об образовании ИУК данными бактериями и положительном влиянии данного гормона на растения в начальные периоды их роста, в основном, на развитие и колонизацию бактериями корневой системы [41, 46]. Недоста-
точно также исследована роль самого растения, инокулированного ростстимулирующими бактериями, в поглощении элементов минерального питания.
ПРОДУЦИРОВАНИЕ ИУК РОСТСТИМУЛИРУЮЩИМИ БАКТЕРИЯМИ Р. PSEUDOMONAS
В процессе выращивания стимулирующих рост различных растений бактерий P. fluorescens 20 и P. putida 23 [20] в периодическом режиме на жидкой питательной среде Кинга Б с добавлением 0.04% триптофана выявлены существенные изменения уровня ИУК в культуральной жидкости (рис. 1, 2). Кривые накопления ИУК обеими бактериальными культурами характеризовались наличием двух максимумов. Первый максимум, наиболее четко выраженный для бактерии P. fluorescens 20, приходился на экспоненциальную фазу роста, через 9-11 ч с момента посева бактериальных клеток в питательную среду, второй - основной по величине - совпадал по времени с переходом культур в стационарную фазу роста. Отмеченная динамика ИУК была подтверждена колориметрическим методом Гордона-Вебера с реактивом Сальковского (кривые 2) [6]
Ц, ч-1
Рис. 1. Ростовые параметры и содержание ИУК в культу -ральной жидкости бактерии Р. АиогеБсеш 20: 1 - оптическая плотность бактериальной суспензии (ОВ); 2 - содержание ИУК, определенное с реактивом Сальковского; 3 - содержание ИУК, определенное иммуноферментным анализом; 4 - удельная скорость роста бактерии (р.). Ошибки определения содержания ИУК не превышают 10%.
и иммуноферментным анализом (кривые 3) [11]. Однако первый метод давал завышенные результаты, что отражает неспецифичность реакции Гордона-Вебера [11, 14, 27], а также, по-видимому, разнообразие состава индольных интермедиатов, секретируемых каждой из исследованных бактериальных культур на различных стадиях роста. Тем не менее, видно, что именно ИУК (кривые 3) является основным метаболитом и количественно преобладает в спектре индольных соединений, образуемых клетками Р. йиогезсеш 20 и Р. ри1Ма 23.
Скорость роста обеих культур в экспоненциальной фазе была непостоянной. За интенсив-
ным ростом после 5-7 ч выращивания следовало его замедление (9-часовая культура), затем рост вновь становился активным. Эти изменения наглядно выражены на кривой удельной скорости роста культур (4), на которой видны два максимума, соответствующие указанным выше интервалам времени (рис. 1, 2). Отклонение от экспоненциального роста может быть связано с разнокачественностью клеток и появлением в процессе выращивания культур лимитирующих факторов, в частности, исчерпыванием одного из питательных субстратов и адаптацией ферментной системы бактерий к усвоению других, изменением синхронизации клеточного деления, образованием агрегатов клеток и т.д. [21]. Переход к стационарному росту культуры Р. йиоге8сеп8 20 происходил медленнее, нежели Р. ри1Ма 23, что, вероятно, обусловлено различной реакцией культур к изменению факторов среды выращивания.
На рис. 1, 2 сравниваются динамика удельной скорости роста культур с данными по интенсивности продуцирования ИУК исследуемыми бактериями в пересчете на одну клетку. При таком способе расчета продукции ИУК, максимумы на кривых ее накопления обеими бактериями в процессе выращивания не только сохраняются, но и становятся более четко выраженными. По времени оба максимума ИУК, продуцируемой как Р. йиогезсеш 20, так и Р. рийёа 23, совпадают со снижением удельной скорости их роста, а увеличение последней - с уменьшением образования ИУК бактериальными клетками.
Общим для исследованных бактерий является наличие четко выраженной обратной зависимости между интенсивностью образования клеток и секрецией ИУК в культуральную жидкость. Наибольший уровень продуцирования ИУК обеими бактериями отмечен в начале фазы стационарного роста, это свидетельствует о том, что выделяемая ИУК, вероятно, не связана с автолизом старых клеток. Способность бактерий-представителей различных родов продуцировать ИУК в стационарной фазе роста установлена во многих исследованиях [9, 22, 51, 53]. Однако, как показывают наши исследования, при изучении накопления ИУК бактериями, информативным моментом является не фаза их роста, а переход культур от интенсивного роста к его замедлению. Причиной снижения скорости роста бактерий при выращивании в периодическом режиме может быть любой стрессовый фактор, чаще всего - это лимитирование питательных субстратов. Выделение ИУК бактериями в неблагоприятных условиях, на наш взгляд, может иметь большое функцио-
нальное значение, повышая вероятность образования ассоциации растение - микроорганизм. Образование такого ассоциата - способ решения проблемы питания, сохранения жизнеспособности и, наконец, приобретение селективного преимущества внутри микробной популяции. Участие ИУК, продуцируемой микроорганизмами, в формировании взаимодействия растение - микроорганизм находит все большее подтверждение в экспериментальных работах [2, 4, 53] и обсуждается в обзорах [19, 29, 32, 44, 46].
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ РАСТЕНИЙ ПРИ ИНОКУЛЯЦИИ РОСТСТИМУЛИРУЮЩИМИ БАКТЕРИЯМИ Р. РБЕШОМОКАБ
Влияние бактерий на поглощение элементов минерального питания растениями изучали в вегетационном опыте по методу изолированного питания, с корневой системой, разделенной на 2 равные пряди, развивающиеся в отсеках с песком и почвой [7], и инокулированные по отдельности смешанной культурой бактерий Р. йиогезсепз 20 и Р. рийёа 23 (рис. 3). Наибольшее увеличение накопления в зеленой массе кукурузы минеральных элементов, в особенности Zn, отмечено, когда корневая прядь и бактерии были локализованы в отсеке с почвой (рис. 3,а, табл. 1). Несомненно, одной из причин большего увеличения выноса элементов минерального питания биомассой растений является непосредственное влияние бактерий на растворимость труднодоступных растениям соединений почвы в результате образования бактериями органических кислот [30] и сидеро-форов [29, 38, 39]. Флуоресцирующие псевдомонады в условиях дефицита Fe обладают повышенной способностью извлекать этот элемент из труднорастворимых соединений, продуцируя сидерофоры - низкомолекулярные органические соединения, характеризующиеся повышенным сродством к Fe(Ш) [29, 38, 39]. Бактериальные сидерофоры наряду с Fe хелатируют ряд других металлов, несмотря на более низкое сродство сидерофоров к этим металлам [24]. Растения, а также микроорганизмы, способны использовать Fe, связанное микробными сидерофорами [26], в том числе продуцируемыми бактерией Р. рийёа [23]. Последними исследованиями показано, что при низких концентрациях этого элемента бактерии поглощают комплексы сидерофоров с Fe и другими металлами посредством специальных транспортных систем [37, 38].
1пОБ (1590)
ИУК, мкг/мл
О
-0.008
80 ч
Рис. 2. Ростовые параметры и содержание ИУК в культу-ральной жидкости бактерии Р. рийёа 23: 1 - оптическая плотность бактериальной суспензии (ОП); 2 - содержание ИУК, определенное с реактивом Сальковского; 3 - содержание ИУК, определенное иммуноферментным анализом; 4 - удельная скорость роста бактерии (р.). Ошибки определения содержания ИУК не превышают 10%.
В свою очередь, внесенные бактерии усиливали поглотительную деятельность корневой системы растений, а именно: увеличили потребление растениями азота и зольных элементов из отсека с почвой и меченного 15К азота из отсека с песком при отсутствии непосредственного контакта бактерий с корнями, поглощающими питательные элементы (табл. 1). Это может быть связано со способностью растений, инокулированных бактериями, мобилизовать через корневые выделения питательные элементы в ризосфере. В ответ на дефицит Fe установлено усиление экссудации корнями фенольных соединений и аминокислот
Рис. 3. Вегетационный опыт с кукурузой
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.