научная статья по теме ПРОДУКТИВНОСТЬ СИМБИОЗА GLYCINE MAX–BRADYRHIZOBIUM JAPONICUM ПРИ МОДИФИКАЦИИ АКТИВНОСТИ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ ЭКЗОГЕННЫМИ БЕЛКАМИ Биология

Текст научной статьи на тему «ПРОДУКТИВНОСТЬ СИМБИОЗА GLYCINE MAX–BRADYRHIZOBIUM JAPONICUM ПРИ МОДИФИКАЦИИ АКТИВНОСТИ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ ЭКЗОГЕННЫМИ БЕЛКАМИ»

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.

Показать целиком