ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 3, с. 416-423
УДК 581.1
ПРОДУКТИВНОСТЬ СИМБИОЗА Glycine max-Bradyrhizobium japonicum ПРИ МОДИФИКАЦИИ АКТИВНОСТИ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ ЭКЗОГЕННЫМИ БЕЛКАМИ
© 2007 г. Д. М. Сытников, Д. А. Киризий, С. М. Маличенко, С. Я. Коць
Институт физиологии растений и генетики Национальной академии наук Украины, Киев
Поступила в редакцию 14.06.2006 г.
В условиях вегетационных опытов изучали влияние предварительной инкубации различающихся по активности клубеньковых бактерий (Bradyrhizobium japonicum) с гомо- и гетерологичными белками на эффективность симбиоза, интенсивность фотосинтеза и развитие растений сои (Glycine max (L.) Merr.). Установлена неоднозначность модулирующего действия гомологичного лектина сои на свойства различающихся по активности штаммов-симбионтов, что существенно отражается на физиологическом состоянии растения. Совместная инкубация ризобий активного штамма с гомологичным лектином, т.е. лектином соответствующего растения, повышала азотфиксирующую активность клубеньков и, как следствие, интенсивность фотосинтеза и накопление массы растениями сои. В то же время, гомологичный лектин оказывал супрессорное действие на проявление симбио-тических свойств неактивного штамма клубеньковых бактерий. Предварительная инкубация ризобий с гетерологичным лектином гороха практически не влияла на работу симбиотического аппарата и интенсивность фотосинтеза, тогда как предынкубация клубеньковых бактерий с альбумином человека проявляла эффект, сходный с действием гомологичного лектина на продуктивность симбиоза.
Glycine max - Bradyrhizobium japonicum - азотфиксация - фотосинтез - лектины - альбумин
ВВЕДЕНИЕ
По современным представлениям, важная роль в регуляции становления и функционирования бобово-ризобиального симбиоза принадлежит лектинам. В литературе приводятся данные, подтверждающие участие этих белков в обмене сигналами между макро- и микросимбионтом и адсорбции ризобий на поверхности корня, а также предполагающие их роль в разнообразных физиологических процессах у растений [1-3]. В соответствии со сложившейся концепцией механизма инокуляции растений ризобиями полисахариды последних являются фактором, который обеспечивает "узнавание" бактериями соответствующего им растения-хозяина путем комплементарного связывания с растительным лектином [4, 5]. Установлено, что обработка ризобий гомологичным лектином, т.е. лектином специфичного растения, положительно влияла на их вирулентность, конкурентоспособность [6], а также повышала азотфиксирующую активность клубеньков. Как следствие, предварительная ин-
Адрес для корреспонденции: Сытников Денис Михайлович. 03022 Киев, Васильковская ул., 31/17. Институт физиологии растений и генетики НАН Украины. Факс: + 38 (044) 257-3108; электронная почта: sytnikov@list.ru
кубация ризобий с гомологичным лектином усиливала ростовые процессы растения-хозяина и повышала продуктивность симбиоза [7, 8].
Гетерологичный лектин, внесенный в бактериальную суспензию перед инокуляцией, как правило, не оказывал положительного влияния на азотфиксацию. В то же время, в опытах с соей установлено, что лектины независимо от их происхождения проявляли в большей или меньшей степени стимулирующее действие на рост растений, а также на увеличение массы клубеньков [9]. Показано, что характер влияния гомологичного лектина на ризобии в чистой культуре, а также на образование клубеньков, азотфиксирующую активность и продуктивность растений зависел от его концентрации в бактериальной суспензии [7, 10].
Эффективный бобово-ризобиальный симбиоз возможен лишь при инокуляции растения комплементарным и активным штаммом клубеньковых бактерий. Поскольку важным условием эффективного функционирования симбиотического аппарата является поступление в клубеньки в достаточном количестве продуктов фотосинтеза, которые служат источником энергии для фиксации атмосферного азота [11, 12], в основе биологической продуктивности растительного организма, в том числе и обладающего способностью
к симбиотической азотфиксации, лежит фотосинтетическая ассимиляция углерода. При этом симбиотический аппарат влияет на донорно-ак-цепторные отношения в растении, стимулируя работу фотосинтетического аппарата посредством интенсификации оттока ассимилятов из листьев и усиления снабжения последних соединениями азота. Таким образом, симбиотические свойства клубеньковых бактерий могут отражаться на особенностях работы донорно-акцепторной системы растения [13].
Открытым остается вопрос о влиянии гетеро-логичных белков, в том числе и белков нерастительного происхождения, на симбиотические свойства штаммов клубеньковых бактерий с различной активностью. В связи с этим, невозможно утверждать, что существует только узкоспецифическое действие гомологичного ризобиям лекти-на растения-хозяина на эффективность функционирования симбиотической системы.
Цель нашей работы состояла в изучении влияния предварительной инкубации клубеньковых бактерий различной активности с гомо- и гетеро-логичными белками на эффективность симбиоза, интенсивность фотосинтеза, содержание фотосинтетических пигментов и рост растений сои.
МЕТОДИКА
В экспериментах использовали растения сои (Glycine max (L.) Merr.) сорта Марьяна совместной селекции Института физиологии растений и генетики НАН Украины (ИФРГ), Селекционно-генетического института и Института земледелия УААН. Для создания симбиотических систем с различным уровнем эффективности семена перед посевом инокулировали активным и неактивным штаммами медленнорастущих клубеньковых бактерий Bradyrhizobium japonicum. В качестве активного использовали штамм 6346 из музейной коллекции азотфиксирующих микроорганизмов ИФРГ, а в качестве неактивного -штамм 604к из коллекции Крымского филиала Института с.-х. микробиологии УААН. Выбранные штаммы значительно различаются по своим симбиотическим свойствам [8].
Культуру медленнорастущих клубеньковых бактерий выращивали в течение 8 суток на ман-нитно-дрожжевом агаре [14] при 28°С. Для приготовления бактериальной суспензии биомассу клеток смывали физиологическим раствором (0.9% NaCl), после чего перемешивали на магнитной мешалке в течение 20 мин. Суспензию бактерий (2 х 107 клеток/мл) предварительно инкубировали в термостате в течение 20 ч при температуре 28°С в соотношении 1 : 1 с водными растворами гомологичного лектина семян сои, гетерологичного лектина семян гороха (НПК "Лектинотест",
Украина) или гетерологичного белка, нерастительного происхождения. В качестве последнего был взят альбумин человека ('^еапаГ', Венгрия). Конечная концентрация использованного белка в бактериальной суспензии (107 клеток/мл) составляла 20 мкг/мл.
Исследования проводили в условиях модельных опытов на вегетационной площадке ИФРГ при влажности субстрата 60% и естественном освещении. В опытах использовали сосуды Вагнера на 15 кг песка, в которых выращивали по 6 растений сои. Сосуды предварительно стерилизовали 20%-ным раствором Н202. В качестве субстрата использовали промытый речной песок с добавлением минеральной питательной смеси по Гельригелю, содержавшей "стартовое" количество азота - 0.25 нормы (1 норма соответствует 708 мг Са^03)2 • 4Н20 на 1 кг песка). Перед высевом семена стерилизовали 70%-ным этанолом в течение 15 мин, а затем промывали проточной водой в течение 2 ч, после чего инокулировали подготовленными суспензиями клеток исследованных штаммов Б. japonicum, содержавшими определенный белок. Контролем служили растения, инокулированные бактериальной суспензией без добавления белка. Каждый штамм ризобий испытывали в четырех вариантах, различавшихся по содержанию белков в инокуляционной суспензии: 1 - инокуляция растений ризобиями, необработанными белком; 2 - инокуляция ризобиями после предварительной инкубации с лектином сои; 3 - инокуляция суспензией ризобий, содержавшей лектин гороха и 4 - инокуляция ризобиями после предынкубации с альбумином человека.
Растения для анализа отбирали в фазах бутонизации (40-е сутки от появления всходов), цветения (50-е сутки) и плодообразования (68-е сутки).
Интенсивность фотосинтеза определяли в контролируемых условиях при помощи установки, смонтированной на базе оптико-акустического инфракрасного газоанализатора ГИАМ-5М (Россия), включенного по дифференциальной схеме. Неотделенную от растения среднюю долю тройчатого листа сои размещали в термостатированной листовой камере площадью 20 см2, которую освещали лампой накаливания КГ-2000 через водный фильтр. Плотность лучистого потока в камере составляла 1800 мкмоль/(м2 с) ФАР, температура - 25°С. Через камеру продували воздух с естественной концентрацией С02 со скоростью 1 л/мин. При определении транспирации и последующем расчете проводимости листа для С02 измеряли влажность воздуха термоэлектрическим микропсихрометром до и после прохождения им камеры. Для измерений брали закончившие рост листья без видимых признаков старения. Определения проводили в 3-кратной биологической по-
Таблица 1. Вирулентность штаммов В. japonicum и масса образовавшихся клубеньков сои, инокулированной ри-зобиями после инкубации с различными белками
Фаза развития
Вариант
бутонизация цветение плодообразование
количество клубеньков, шт./растение сырая масса клубеньков, г/растение количество клубеньков, шт./растение сырая масса клубеньков, г/растение количество клубеньков, шт./растение сырая масса клубеньков, г/растение
Штамм 6346
Контроль(без белка) 40.67 ± 1.85 0.39 ± 0.04 52.20 ± 3.98 0.45 ± 0.02 63.75 ± 5.17 0.74 ± 0.08
Лектин сои 47.20 ± 3.09 0.51 ± 0.05 63.00 ± 5.81 0.70 ± 0.07 72.75 ± 2.92 1.05 ± 0.10
Лектин гороха 43.80 ± 4.39 0.40 ± 0.04 51.25 ± 4.41 0.47 ± 0.04 59.25 ± 4.50 0.75 ± 0.04
Альбумин человека 42.80 ± 4.41 0.33 ± 0.03 48.25 ± 4.40 0.43 ± 0.01 58.40 ± 5.93 0.92 ± 0.09
Штамм 604к
Контроль(без белка) 175.00 ± 15.98 0.27 ± 0.03 535.50 ± 35.43 0.65 ± 0.05 1167.67 ± 137.52 1.63 ± 0.16
Лектин сои 387.00 ± 39.86 0.47 ± 0.05 446.67 ± 46.64 0.60 ± 0.05 864.00 ± 81.87 1.32 ± 0.12
Лектин гороха 236.50 ± 23.03 0.31 ± 0.02 540.25 ± 38.25 0.66 ± 0.02 827.00 ± 79.07 1.08 ± 0
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.