Клубеньковые бактерии

          Понятие специфичности клубеньковых  бактерий — собирательное. Оно  характеризует  способность бактерий образовывать клубеньки у растений. Если говорить о клубеньковых бактериях вообще, то для них образование клубеньков только у группы бобовых растений уже само по себе специфично — они обладают избирательностью к бобовым растениям.

          Однако  если рассматривать отдельные  культуры клубеньковых бактерий, то оказывается, что среди них есть такие, которые способны заражать лишь определенную, иногда большую, иногда меньшую, группу бобовых растений, и в этом смысле специфичность клубеньковых бактерий — это избирательная способность в отношении растения-хозяина. Специфичность клубеньковых бактерий может быть узкой (клубеньковые бактерии клевера заражают только группу клеверов — видовая специфичность, а клубеньковые бактерии люпина могут характеризоваться даже сортовой специфичностью — заражать только алкалоидные или безалкалоидные сорта люпина). При широкой специфичности клубеньковые бактерии гороха могут заражать растения гороха, чины, бобов, а клубеньковые бактерии чины и бобов могут заражать растения гороха, т. е. все они характеризуются способностью «перекрестного заражения». Специфичность клубеньковых бактерий лежит в основе их классификации.

          Специфичность клубеньковых бактерий  возникла в результате их длительного приспособления к  одному растению или к группе их и генетической передачи этого свойства. В связи с этим различная приспособленность клубеньковых бактерий к растениям имеется и в пределах группы перекрестного заражения. Так, клубеньковые бактерии люцерны могут образовать клубеньки у донника. Но тем не менее они более приспособлены к люцерне, а бактерии донника — к доннику.

          В процессе инфекции корневой  системы  бобовых растений  клубеньковыми  бактериями большое значение имеет  вирулентность микроорганизмов. Если специфичностью определяется спектр действия бактерий, то вирулентность клубеньковых бактерий характеризует активность их действия в пределах данного спектра. Под вирулентностью подразумевается способность клубеньковых бактерий проникать в ткань корня, размножаться там и вызывать образование клубеньков.

          Большую роль играет не только  сама способность проникать в  корни растения, но и скорость этого проникновения.

          Важным  свойством клубеньковых  бактерий является их активность (эффективность), т. е. способность   в симбиозе с бобовыми растениями  ассимилировать молекулярный азот и удовлетворять в нем потребности растения-хозяина. В зависимости от того, в какой степени клубеньковые бактерии способствуют повышению урожайности бобовых культур, их принято делить на активные (эффективные), малоактивные (малоэффективные) и неактивные (неэффективные).

          Неактивный  для одного растения-хозяина  штамм  бактерий в симбиозе с другим видом  бобового растения может быть вполне эффективным. Поэтому при характеристике штамма с точки зрения его эффективности  следует всегда указывать, в отношении  какого вида растения-хозяина проявляется его действие.

           Для обеспечения нормального  процесса инфицирования корневой  системы  клубеньковыми бактериями  необходимо наличие довольно  большого количества жизнеспособных  клеток бактерий в прикорневой   зоне. Мнения исследователей в отношении количества клеток, необходимых для обеспечения процесса инокуляции, различны. Так, по данным американского ученого О. Аллена (1966), для инокуляции мелкосеменных растений требуется 500—1000 клеток, для инокуляции крупносеменных — не менее 70 000 клеток на 1 семя. По мнению австралийского исследователя Дж. Винцента (1966), в момент инокуляции на каждое семя должно приходиться по крайней мере несколько сотен жизнеспособных и активных клеток клубеньковых бактерий. Имеются данные, что в ткань корня могут внедряться и единичные клетки.

          При развитии корневой системы  бобового растения размножение  клубеньковых бактерий на поверхности корня стимулируется  выделениями корня. Продукты разрушения корневых чехликов и волосков играют также немаловажную роль в обеспечении  клубеньковых бактерий подходящим субстратом.

          О механизме проникновения клубеньковых  бактерий в корень растения существует ряд гипотез. Наиболее интересные из них следующие. Авторы одной из гипотез  утверждают, что клубеньковые бактерии проникают в корень через повреждения эпидермальной и коровой ткани (особенно в местах ответвления боковых корней). Эта гипотеза была выдвинута на основании исследований Бриля (1888), вызвавшего образование клубеньков у бобовых растений путем прокалывания корней иглой, погруженной предварительно в суспензию клубеньковых бактерий. Как частный случай такой путь внедрения вполне реален. Например, у арахиса клубеньки преимущественно располагаются в пазухах ответвлений корней, что наводит на мысль о проникновении клубеньковых бактерий в корень через разрывы при прорастании боковых корней.

          Интересна и не лишена оснований  гипотеза о  проникновении  клубеньковых бактерий в ткань корня через корневые волоски. Путь прохождения клубеньковых бактерий через корневые волоски  признает большинство исследователей.

          Не  исключено, что клубеньковые  бактерии могут проникать в  корень через  эпидермальные клетки молодых верхушек корня. По мнению Пражмовского (1889), бактерии могут проникать в корень только через молодую клеточную оболочку (корневых волосков или эпидермальных клеток) и совершенно не способны преодолевать химически измененный или опробковевший слой коры. Этим можно объяснить, что клубеньки обычно развиваются на молодых участках главного корня и появляющихся боковых корнях.

          Проникнув в корень (через корневой  волосок, эпидермальную клетку, места повреждений корня), клубеньковые бактерии далее перемещаются в ткани корня растения. Наиболее легко бактерии проходят через межклеточные пространства.

          Внедриться  в ткань корня может  или  одиночная клетка, или  группа клеток бактерий. Если  внедрилась отдельная клетка, она  и в дальнейшем может перемещаться по ткани как одиночка. Путь инфицирования корня одиночными клетками свойствен растениям люпина.

          Однако  в большинстве случаев  внедрившаяся клетка, активно размножаясь, образует так называемые инфекционные нити и уже в виде таких нитей перемещается в ткани растения.

          По  существу, инфекционная нить  — это колония размножившихся  бактерий. Началом ее служит то  место, куда проникла отдельная  клетка или группа клеток. Не  исключено, что колония бактерий (а следовательно, и будущая инфекционная нить) начинает формироваться еще на поверхности корня до момента внедрения бактерий в корень.

          Для симбиоза, обеспечивающего хорошее   развитие растений, необходим определенный комплекс условий среды. Если условия окружающей среды будут неблагоприятными, то, даже несмотря на высокую вирулентность, конкурентную способность и активность микросимбионта, эффективность симбиоза будет низкой.

          Для развития клубеньков оптимальная  влажность 60—70% от полной влагоемкости почвы. Минимальная влажность почвы, при которой еще возможно развитие клубеньковых бактерий в почве, приблизительно равна 16% от полной влагоемкости. При влажности ниже этого предела клубеньковые бактерии обычно уже не размножаются, но тем не менее они не погибают и могут длительное время сохраняться в неактивном состоянии. Недостаток влаги приводит и к отмиранию уже сформировавшихся клубеньков.

          Избыточная  влажность, как и  ее недостаток, также неблагоприятна  для симбиоза — из-за снижения  степени аэрации в зоне корней  ухудшается снабжение корневой  системы растения кислородом. Недостаточная  аэрация отрицательно влияет и на живущие в почве клубеньковые бактерии, которые, как известно, лучше размножаются при доступе кислорода. Тем не менее высокая аэрация в зоне корней приводит к тому, что кислород начинают связывать восстановители молекулярного азота, снижая степень азотфиксации клубеньков.

          Важную  роль во взаимоотношениях  клубеньковых бактерий и бобовых растений играет температурный фактор. Температурные характеристики разных видов бобовых растений различны. Также и разные штаммы клубеньковых бактерий имеют свои определенные температурные оптимумы развития и активной фиксации азота. Следует отметить, что оптимальные температуры развития бобовых растений, образования клубеньков и азотфиксации не совпадают. Так, в природных условиях образование клубеньков может наблюдаться при температурах несколько выше О °С, азотфиксация при таких условиях практически не происходит. Возможно, лишь арктические симбиозирующие бобовые растения связывают азот при очень низких температурах. Обычно же этот процесс происходит лишь при 10 °С и выше. Максимальная азотфиксация ряда бобовых растений наблюдается при 20—25 °С. Температура выше 30 °С отрицательно влияет на процесс азотонакопления. 

          Большое влияние на жизнедеятельность  клубеньковых бактерий и образование клубеньков оказывает реакция почвы. Для  разных видов и даже штаммов клубеньковых бактерий значение рН среды обитания несколько различно. Так, например, клубеньковые бактерии клевера более устойчивы к низким значениям рН, чем клубеньковые бактерии люцерны. Очевидно, здесь также сказывается адаптация мпкроорганизмов к среде обитания. Клевер растет на более кислых почвах, чем люцерна. Реакция почвы как экологический фактор оказывает влияние на активность и вирулентность клубеньковых бактерий. Наиболее активные штаммы, как правило, легче выделить из почв с нейтральными значениями рН. В кислых почвах чаще встречаются неактивные и слабовирулентные штаммы. Кислая среда (рН 4,0 — 4,5) оказывает непосредственное влияние и на растения, в частности нарушая синтетические процессы обмена веществ растений и нормальное развитие корневых волосков. В кислой среде у инокулированных(искусственно зараженных) растений резко сокращается срок функционирования бактероидной ткани, что ведет к снижению степени азотфиксации.

          Для клубеньковых бактерий ткань  хозяина  представляет такую  питательную  среду, которая может удовлетворить  даже самый требовательный штамм вследствие содержания в ткани всех типов питательных веществ. Тем не менее после внедрения клубеньковых бактерий в ткань растения-хозяина их развитие определяется не только внутренними процессами, но и в значительной степени зависит от действия внешних факторов, оказывающих влияние на весь ход инфекционного процесса. Содержание или отсутствие того или иного питательного вещества в окружающей среде может быть определяющим моментом для проявления симбиотической азотфиксации.

          Большое значение в активации  усвоения азота бобовыми растениями  имеет фосфорное питание. При  низком содержании фосфора в  среде проникновение бактерий в корень происходит, но клубеньки при этом не образуются. Бобовым растениям присущи некоторые особенности в обмене фосфорсодержащих соединений. Семена бобовых отличаются повышенным содержанием фосфора. Запасной фосфор при прорастании семян используется не так, как у других культур, — сравнительно равномерно для формирования всех органов, а в большей степени сосредоточиваясь в корнях. Поэтому в ранние сроки развития бобовые растения, в отличие от злаковых, в большей степени удовлетворяют свои потребности в фосфоре за счет семядолей, а не запасов почвы. Чем крупнее семена, тем меньше бобовые растения зависят от фосфора почвы. Однако при симбиотическом способе существования потребность бобовых растений в фосфоре выше, чем при автотрофном. Поэтому при недостатке фосфора в среде у инокулированных растений ухудшается снабжение растений азотом.

          Для симбиотической азотфиксации необходимы также магний, сера и железо. При недостатке магния тормозится размножение клубеньковых бактерий, снижается их жизнедеятельность, подавляется симбиотическая азотфиксация. Сера и железо оказывают также благоприятное влияние на образование клубеньков и процесс азотфиксации.

          Определенное  значение в симбиозе  клубеньковых бактерий и бобовых  растений имеют биологические  факторы.

          Являясь симбиотическими организмами,  клубеньковые бактерии распространяются в почвах, сопутствуя определенным видам бобовых  растений. После разрушения клубеньков клетки клубеньковых бактерий попадают в почву и переходят к существованию за счет различных органических веществ подобно другим почвенным микроорганизмам. Почти повсеместное распространение клубеньковых бактерий является доказательством высокой степени их адаптируемости к различным почвенно-климатическим условиям, способности вести симбиотический и сапрофитный способ жизни.

          Схематизируя  имеющиеся к настоящему  времени  данные по распространению клубеньковых бактерий в природе, можно сделать следующие обобщения.

          В целинных и окультуренных  почвах присутствуют обычно в  больших количествах  клубеньковые  бактерии тех видов  бобовых  растений, которые имеются  в  составе дикой флоры или   культивируются длительное время  в  данной местности. Численность  клубеньковых бактерий всегда  наивысшая в ризосфере бобовых  растений, несколько меньше их  в ризосфере других видов и  мало в почве вдали от корней.