ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 5, с. 666-671
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
ВЗАИМОСВЯЗЬ АЗОТФИКСАЦИИ И ФОТОСИНТЕЗА КАК ОСНОВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА
У ЛЮЦЕРНЫ
© 2007 г. Д. А. Киризий, Н. А. Воробей, С. Я. Коць
Институт физиологии растений и генетики Национальной академии наук Украины, Киев
Поступила в редакцию 21.11.2006 г.
В условиях вегетационного опыта в песчаной культуре изучали связь С02-газообмена и продуктивности растений люцерны (Medicago sativa L.) с интенсивностью азотфиксации при инокуляции различными по эффективности Тп5-мутантами Sinorhizobium meliloti. В фазе цветения связь между интенсивностью азотфиксации и фотосинтезом целых растений люцерны описывалась логарифмической кривой. В этот же период установлена тесная зависимость между интенсивностью азотфиксации и массой целого растения, имеющая тенденцию к насыщению при высоких значениях интенсивности азотфиксации. Увеличение нитрогеназной активности клубеньков сопровождалось повышением интенсивности дыхания корней, причем связь этого процесса с азотфиксирующей активностью была выражена сильнее, чем с массой всей корневой системы растения. Сделан вывод о том, что для максимальной реализации потенциала высокоэффективных штаммов клубеньковых бактерий необходимы комплементарные им генотипы растений с фотосинтетическим аппаратом интенсивного типа, способным к сбалансированному обеспечению ассимилятами как симбиотического аппарата, так и ростовых процессов самого макросимбионта.
Medicago sativa - Sinorhizobium meliloti - азотфиксация - фотосинтез - дыхание - продуктивность
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, процессы ассимиляции углерода и азота лежат в основе продуктивности растительного организма, поскольку эти элементы вместе с кислородом и водородом являются главными компонентами биологических макромолекул. Углеродный и азотный метаболизм в растении тесно переплетены друг с другом и контролируются сложной системой регуляторных механизмов [1]. Ассимиляция углерода происходит в процессе фотосинтеза путем восстановления его диоксида, который растение поглощает из окружающего воздуха, а ассимиляция азота - преимущественно в процессе восстановления его нитратной формы, которая поглощается корнями из почвы. При этом фотосинтез обеспечивает энергией процесс восстановления азота [2].
Уникальным явлением, значение которого трудно переоценить, является биологическая фиксация атмосферного азота. В нашей работе мы рассматриваем одну из форм ее проявления, наиболее тесно связанную с физиологией расти-
Адрес для корреспонденции: Воробей Надежда Анатольевна. 03022 Киев, Васильковская ул., 31/17. Институт физиологии растений и генетики НАН Украины. Факс: + 38 (044) 257-31-08; электронная почта: azot@ifrg.kiev.ua
тельного организма - бобово-ризобиальный симбиоз. Известно, что клубеньки на корнях бобовых растений, образовавшиеся в местах проникновения ризобий, используют для фиксации молекулярного азота энергию, освобожденную в процессе дыхания из углеводов, которые образовались в процессе фотосинтеза и поступили в корни из надземной части растения [3]. Большинство исследователей не сомневается в существовании связи между фотосинтезом и азотфиксирующей активностью клубеньков у бобовых растений, однако степень ее проявления и количественные характеристики остаются дискуссионными. Это обусловлено влиянием большого числа внешних и внутренних факторов на взаимоотношения между фотосинтетическим и симбиотическим аппаратами, таких как обеспеченность растений минеральным азотом [4-6] и фосфором [7], водный режим [8, 9], температура, освещенность [10], фаза вегетации, активность штамма ризобий [11, 12] и т.д.
В общих чертах взаимосвязь между фотосинтезом и азотфиксацией можно охарактеризовать таким образом: фотосинтез снабжает симбиоти-ческий аппарат субстратами для дыхания и фиксации восстановленного азота в составе органических соединений, а клубеньки, в свою очередь, обеспечивают растение азотом, необходимым для синтеза ферментов, структурных белков и
пигментов фотосинтетического аппарата. Существует мнение, что активно функционирующий симбиотический аппарат с высокой потребностью в ассимилятах способствует их интенсивному оттоку из листьев, тем самым, дополнительно стимулирует работу фотосинтетического аппарата [13]. Об этом также свидетельствуют полученные нами ранее данные, что в условиях эффективного симбиоза при наличии в субстрате только стартовой дозы минерального азота (0.1 нормы) интенсивность фотосинтеза листьев сои была выше, чем в варианте с полной нормой азотного питания и, как следствие этого, подавленной нитро-геназной активностью клубеньков [14].
Отсюда следует, что количественные характеристики взаимосвязи между процессами ассимиляции углерода и азота лучше всего изучать при инокуляции различными по эффективности генотипами ризобий, низком содержании минерального азота в субстрате и в те фазы вегетации, когда интенсивность этих процессов максимальна.
Цель нашей работы состояла в определении взаимосвязи между СО2-газообменом, интенсивностью азотфиксации и накоплением массы растений люцерны для выявления принципов их взаиморегуляции, а также их роли в формировании продуктивности данной культуры.
МЕТОДИКА
Опыты проводили с растениями люцерны (Medicago sativa L.) сорта Ярославна (селекции Института земледелия Украинской академии аграрных наук) на вегетационной площадке Института физиологии растений и генетики Национальной академии наук Украины. Растения выращивали в 11-килограммовых сосудах Вагнера, заполненных промытым речным песком. В песок вносили питательную смесь Гельригеля, обогащенную микроэлементами (молибденом, бором и медью) и обедненную по азоту до 0.2 нормы (1 норма соответствует 708 мг Са^03)2 х 4H2O на 1 кг песка).
В качестве штаммов-инокулянтов использовали клубеньковые бактерии Sinorhizobium meliloti из музейной коллекции Института физиологии растений и генетики: производственный штамм 425а (селекции ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, Санкт-Петербург) и Тп5-мутанты штамма 425а S. meliloti (полученные путем транс-позонового мутагенеза штамма 425 а с использованием вектора pSUP2021::Tn5 Escherichia coli 171 по модифицированной нами методике [15]).
Бактериальные культуры выращивали на среде следующего состава (г/л): K2HPO4 - 0.5, MgSO4 х 7H2O - 0.2, NaCl - 0.1, CaCO3 - следы, ка-заминокислоты - 1.0, маннит - 10, агар - 17, при температуре 28°С до конца логарифмической фа-
зы роста (5-6 суток). Для приготовления иноку-ляционной суспензии биомассу бактериальных клеток смывали с поверхности агара стерильной водой, суспендировали и выравнивали по стандарту мутности. Бактериальный титр суспензий во всех вариантах соответствовал 109 клеток/мл. Семена люцерны стерилизовали 15 мин 70%-ным этанолом, промывали проточной водой в течение 2 ч и инокулировали клубеньковыми бактериями в течение 30 мин.
Вегетационные опыты закладывали в 7-кратной повторности, в каждом сосуде выращивали по 8 растений при 60%-ной влажности субстрата (от полной влагоемкости) и естественном освещении. В периоды скрытой бутонизации (38-е сутки от появления всходов) и начала цветения (57-е сутки) измеряли физиологические параметры растений.
Параметры С02-газообмена (фотосинтез и дыхание) измеряли при помощи инфракрасного газоанализатора ГИАМ-5М (Россия), включенного по дифференциальной схеме [16]. Сосуд с растениями помещали в герметичную камеру из оргстекла объемом 50 л, через которую продували атмосферный воздух со скоростью 15 л/мин. На выходе из камеры отбирали пробы (1 л/мин) для ввода в газоанализатор, а остальной воздух сбрасывали в атмосферу. Камеру освещали лампой накаливания КГ-200О через водяной фильтр. Освещенность на уровне субстрата составляла 250 Вт/м2 ФАР, температура 25 ± 2°С.
После адаптации растений к условиям измерения (30-40 мин после герметизации камеры) регистрировали скорость поглощения С02 целыми растениями (далее "видимый фотосинтез"). Затем свет выключали, а камеру закрывали чехлом из черной светонепроницаемой ткани. В течение 15 мин измеряли темновое дыхание целых растений. После этого камеру открывали, срезали надземные части растений на уровне субстрата и камеру снова герметизировали. В течение 10 мин определяли дыхание корней, находящихся в субстрате. Полученное значение принимали в качестве характеристики дыхания корней с клубеньками, поскольку субстратом служил промытый речной песок, дыханием естественной микрофлоры которого можно было пренебречь. Истинный фотосинтез надземной части (далее просто "фотосинтез") рассчитывали как сумму видимого поглощения С02 на свету и дыхания корней с клубеньками, поскольку последнее происходит и на свету, маскируя часть фотосинтетического поглощения С02. Все расчеты проводили на одно растение, с учетом скорости потока воздуха через камеру. Повторность измерений 3-кратная.
После измерений газообмена корни отмывали от песка, определяли массу надземной и подземной частей растения, а также азотфиксирующую активность клубеньков ацетилен-восстанови-
668 КИРИЗИИ и др.
Физиологические показатели люцерны, инокулированной Тп5-мутантами штамма 425а Sinorhizobium meliloti
Вариант
Фотосинтез, мкмоль СО2/(растение ч) Дыхание надземной части, мкмоль СО2/(растение ч) Дыхание корней, мкмоль СО2/(растение ч) ч) ^ s и н це са т сс ка иьр но^ < S О Масса надземной части, г Масса корней, г Масса целого растения, г
Масса клубеньков, г
425а
Т17
Т18
Т23 Т39 Т42 НСР0.05
425а Т17
Т18
Т23 Т39 Т42
НСР0.05
Скрытая бутонизация
311.0 20.4 45.4 0.80 1.17 2.86 4.03 0.066
317.8 20.4 40.7 0.74 1.53 2.84 4.37 0.090
109.0 6.8 27.2 0.31 0.61 0.90 1.51 0.062
267.9 34.1 52.5 0.96 1.42 3.15 4.57 0.130
283.8 29.5 40.9 0.76 1.57 2.90 4.47 0.085
297.4 36.3 45.4 1.08 1.94 2.83 4.77 0.130
24.8 3.1 3.9 0.07 0.14 0.27 0.38 0.011
Цветение
438.1 43.1 59.0 2.01 2.78 4.00 6.78 0.115
449.5 13.6 59.8 1.95 2.64 4.32 6.96 0.148
336.0 9.1 33.1 0.67 1.66 2.22 3.88 0.082
399.5 47.7 48.7 1.84 2.70 5.02 7.72 0.094
458.5 34.1 49.9 1.56 3.13 4.09 7.22 0.156
506.2 15.9 64.0 2.34 2.95 4.78 7.73 0.158
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.