Как называется совместное сосуществование бобовых растений. V

Кирилл Сысоев

Мозолистые руки не знают скуки!

Первые почвенные бактерии, которые заметило человечество – клубеньковые. Из 13 тыс. растений формируют клубенек около 1300, а в сельском хозяйстве используются 200. Из них все обладают функцией фиксировать атмосферный азот. В почве на клубеньке поселяются и размножаются микроорганизмы – симбионты, которые заменяют удобрения.

Что такое клубеньковые бактерии

Больше 2 тыс. лет назад земледельцы заметили, что бедные, выработавшие ресурс почвы дают урожаи после возделывания на них бобовых культур. Следующие попытки раскрыть секрет были в 1838 г.: Ж.-Б. Буссенго решил, что листья бобовых фиксируют азот, однако опыты с неблагоприятной водной средой не подтвердили это. В 1901 г. была открыта Azotobacter chroococcum (6 видов из рода азотобактер). Первый препарат на основе «земляных» бактерий Нитрагин был создан в 1897-м.

Все клубеньковые бактерии – это микроаэрофилы. Им свойственна палочковидная/овальная форма. Относятся Rhizobium (Rhizobiales) к способным переводить газообразную форму азота в усвояемую растениями – растворимую. Факты:

По тому, насколько влияют микроорганизмы на урожай, их разделяют на активные (эффективно обогащают почву), малоактивные и неактивные (неэффективные).
Когда нет влаги, они не размножаются, поэтому при засушливом климате специально зараженные растения вводят в почву глубже.
Оптимальная температура для размножения всех представителей азотфиксирующих – 20-30°С, но рост продолжается и при 0-35°С. Лучшая среда (pH) – нейтральная, порядка 6,5-7,1, а вот кислая вызывает гибель колоний.
Благодаря опытам Московской сельхозакадемии выяснилось, что даже при условии отсутствия «доноров» бактериальный материал не покидает почву до 50 лет.
Микроорганизмы способны пережить даже условия после атомного взрыва, выдержать гамма-излучение и ультрафиолет, солнечную радиацию, но не могут обитать при высокой температуре.
Максимальное значение микроорганизмы имеют для развития корня.

Роль клубеньковых бактерий в природе

Помимо фиксации атмосферного азота роль клубеньковых бактерий в природе очень велика. В процессе размножения они «занимаются» синтезом витаминов, природных антибиотиков, способствуют развитию сначала корня, а затем и ботвы. Польза заключается в том, что почвенные бактерии азотфиксирующего типа за счет симбиоза с растениями:

являются частью круговорота вещества – азота;
синтезируют фитогормоны, стимулируя рост растений;
могут использоваться как способ самоочищения загрязненных тяжелыми металлами почв при минерализующих факторах (природных/предприятиях);
разлагают некоторые хлорсодержащие соединения.

Бобовые растения и клубеньковые бактерии

через повреждение тканей;
проникновением через корневые волоски;
внедрением через молодые верхушки корня;
благодаря бактериям-спутницам.

Симбиотические бактерии рода Ризобиум, проникнув в корень, перемещаются в его ткани, легко преодолевая межклеточное пространство группами или одиночными клетками (как у люпина). Чаще же клетка при размножении образовывают инфекционные нити (тяжи, колонии). Их количество различается по типам растений. Часто встречаются общие нити заражения, формирующие один клубенек.

Фиксация азота бактериями

Ценность, которую представляет фиксация азота бактериями, огромна: это не только восстанавливает почву, но и позволяет получать более богатые урожаи, чем на перегное или химических удобрениях. Происходит взаимодействие вещества и азотфиксатора:

у Azotobacter («автономных», не требующих наличия растения) – ферментами, за счет кислорода в клетке;
у Rhizobium (клубеньковые бактерии) – только в присутствии магния, серы, железа.

Азотфиксирующие растения

По растениям группируются виды, на которые подразделяются азотфиксирующие бактерии. В сельском хозяйстве учитывают, что бобовые – не единственные «хозяева» природных удобрений, помогающих усваивать атмосферный азот. Другие привлекательные для азотфиксирующих растения – это, как пример:

донник;
люцерна;
клевер;
фасоль, горох (не только пищевой, но и коровий), вика, чина;
люпин и сераделла.

В большом количестве ($72\%$), но он нейтрален (абсолютно недоступен для усвоения растениями).

$10\%$ растений семейства Бобовых вступают в симбиоз с бактериями (обнаружены бактерии и на корнях ольхи семейства Берёзовых).

Клубеньковые бактерии относятся к роду Rhizodium. Их основное свойство - способность фиксировать молекулярный азот из атмосферного воздуха и синтезировать органические азотсодержащие соединения. Эти бактерии, вступая в симбиоз с бобовыми растениями способны образовывать на их корнях клубеньки. Они переводят газообразный азот в соединения, легко доступные для усвоения растениями, а цветковые растения, в свою очередь, поставляют питательные вещества для бактерий. Так же данный вид бактерий играет важную роль в процессе обогащения грунта азотом.

Размер клубеньковых бактерий $0,3 - 3$ мкм. Имеют округлую форму, слизистую консистенцию, прозрачные. В отличие от других бактерий они не образуют спор, способны двигаться и для нормальной жизнедеятельности им необходим кислород.

Проникнув в корневой волосок растения бактерии стимулируют интенсивное деление клеток корня, вследствие чего и образуется клубенёк. Сами же бактерии развиваются в этих клубеньках и участвуют в процессе ассимиляции азота. Там они трансформируются, приобретая разветвлённую форму - бактероид, который и поглощают молекулярный азот, нитраты, аминокислоты и аммонийные соли. Как источник углерода для клубеньковых бактерий служат моно- и дисахариды, органические кислоты, спирты.

Растенияже поставляют бактериям жизненно необходимые питательные органические вещества. Такая форма симбиоза позитивно отражается на обоих организмах - симбионтах:

бактерии получают возможность нормально пройти свой цикл развития;
растение развивается нормально, получая в достаточном количестве самый необходимый минеральный элемент питания - азот.

Замечание 1

Такой источник питания растений называют биологическим, а бобовые растения - культурой, обогащающей почву (по К.А. Тимирязеву).

В отличии от большинства растений, бобовые не только не обедняют почву, но и ещё и обогащают её соединениями азота. Обогащение происходит во время выращивания бобовых растений (люпин, горох, соя, клевер, люцерна, вика, донник) и при дальнейшем разложении их корней и листьев.

После отмирания корней бобовых растений клубеньковые бактерии не гибнут, а ведут сапрофитный образ жизни.

Клубеньковые бактерии способны поглощать из атмосферного воздуха до $300$ кг азота на $1$ гектаре посевов бобовых, и при этом в почве ещё остаётся более $50$ кг азотосодержащих соединений.

Замечание 2

Разные формы бактерий имеют специфическую предрасположенность к развитию на корнях определённых представителей бобовых: Rhizodium Leguminosarum – у гороха, кормовых бобов, вики; Rh. Meliloti - у донника, люцерны; Rh. Japonicum - у сои; Rh. Trifolium - у клевера.

Значение и перспективы симбиоза бактерий и бобовых растений

Этот тип симбиоза очень важен в природе и, особенно, во время выращивания растений, потому что обеспечивает их повышенную питательность и урожайность, а одновременно - обновление почвы и повышение её плодородия.

Бобовые растения являются основой современного альтернативного земледелия - без использования удобрений или же с внесением их в незначительных дозах.

К.А. Тимирязев отметил, что бобовые растения проникли всюду, куда только достигают здравые сельскохозяйственные понятия. Но вряд ли найдётся в истории много открытий, которые бы оказались такими полезными для человечества, как использование клевера и вообще бобовых растений в севообороте, чтобы иметь возможность так разительно увеличивать продуктивность сельского хозяйства.

Бобовые растения в наше время широко культивируются во всём мире. Значение их велико и будет оставаться таковым и даже возрастать, так ка они - источник экологического и экономического (фактически бесплатного) азота.

В $XXI$ столетии при наличии высокоразвитых технологий производства минеральных удобрений (важнейшие из них - азотные), до двух третей азота, использованного в мировом сельском хозяйстве, поступает из биологических источников, в основном за счёт бобовых растений и их симбионтов - клубеньковых бактерий-азотфиксаторов. Именно в в клубеньках происходит наиболее важная для симбиоза биохимическая реакция: оновление молекулярного азота воздуха до нитратов, а потом - до аммония.

Используя результаты современных исследований взаимоотношений бактерий-симбионтов с растениями микробиологи предложили на перспективу важное задание - определение путей создания сообществ для улучшения минерального питания растений биологическим азотом. Этот симбиоз является системой с разными взаимодействиями, большинство из которых связано с повышением генетической пластичности организмов, что и может привести даже к появлению принципиально новых форм жизни. Такую возможность природе предоставляет симбиоз, и это является существенной составляющей частью нового современного учения о симбиозе.

Замечание 3

С целью повышения количества клубеньковых бактерий и, соответственно, урожайности бобовых культур, при посеве в почву добавляют специальное бактериальное средство - нитрагин (происходит искусственное заражение семян клубеньковыми бактериями.

Что такое симбиоз клубеньковых бактерий и сои? Понятие или явление, которым ученые пугают производителей, из-за чего возникает серьезная преграда в общении между ними: ученым болит, потому что их знания не восприняты, аграрии нуждаются в конретных практических ответах на свои вопросы. Так что же такое симбиоз и какие на самом деле факторы влияют на его возникновение?

Симбиоз - биологическая система, созданная бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями, результатом взаимодействия которых является формирование новых морфологических структур - корневых клубеньков. Последние превращают атмосферный азот в доступную для растений форму - это процесс сложный, многоступенчатый, что вызывает глубокие физиологические и метаболические изменения в обоих партнеров.

Одним из важнейших факторов возникновения симбиоза является наличие в ризосфере растений клубеньковых бактерий. Что это за микроорганизмы? Клубеньковые азотфиксирующие бактерии, или ризобии - это почвенные микроорганизмы, способные осуществлять процесс биологической фиксации азота. Первую классификацию ризобий разработали еще в 30-х годах прошлого века, она основывалась на способности микроорганизмов вступать в симбиотические отношения с растением-хозяином. Тогда было выделено лишь шесть видов - Rhizobium meliloti, R. trifolii, R. phaseoli, R.lupini, R. leguminosarum, R. japonicum. 50 лет спустя систематику этих микроорганизмов пересмотрели и по ряду генетических и морфофизиологических свойств и выделили новый род ризобий - Bradyrhizobium, характерной особенностью которых была низкая скорость роста. Именно представители этого вида являются микросимбионтамами исключительно растений сои.

Последний, в свою очередь, делился на три вида бактерий: Bradyrhizobium japonicum, B. elkanii, B. liaoningense.

Активное использование инокулянтов во время выращивания сои в разных странах мира, в том числе и в Украине, обусловило формирование в почвах популяций ризобий, которые в результате свободного существования и влияния различных абиотических факторов изменили свой генотип и получили новые свойства.

Так, по данным молекулярно-генетических исследований, среди них выделяют несколько групп штаммов, различающихся своими свойствами, в том числе и скоростью роста. Сегодня описаны изоляты с интенсивным ростом, которые могут наращивать биомассу, в отличие от классических представителей, уже через две, а не три с половиной суток. Еще одной особенностью таких штаммов является повышенная сапрофитная компетентность, то есть способность бактерий выживать в почве вне организма растения-хозяина, и установлен факт доминирования этих штаммов в бульбочке.

Коллекция агрономически полезных изолятов Института агроэкологии и природопользования НААН насчитывает 72 представителя бактерий рода Bradyrhizobium, среди которых штаммы, кроме свойств, которые классически исследуют ученые-микробиологи (азотфиксирующие активность, вирулентность, конкурентоспособность и т.д.), характеризуются и такими, которым обычно уделяют меньше внимания. В частности, замечено, что обработка семян сои некоторыми изолятами, кроме формирования пузырьков, способствовала улучшению развития корневой системы: происходило увеличение ее длины и массы, также росла площадь удельной поверхности корней. Кроме этого, отметили влияние инокуляции на развитие заболеваний растений сои как бактериального, так и грибного происхождения. Еще одним интересным фактом является то, что растения, инокулированных группой штаммов Bradyrhizobium со сложившимся симбиотическим аппаратом, лучше выдерживали условия пестицидного стресса, а также засуху и кислотность почвы.

Хотя большинство штаммов Bradyrhizobium не приживается в почве и выводится уже в следующем вегетационного периода, в нашей коллекции есть изоляты, которые способны не только формировать плотную популяцию, но и оказываются в достаточном количестве в течение длительного промежутка времени, в лабораторных условиях отличаются интенсивностью роста, на сутки-полтора опережая классические штаммы соевых ризобий.

Благодаря проверке сотен комбинаций из разных изолятов нам удалось создать эффективную композицию, которая не только обладает всеми характерными для инокулянта полезными свойствами, но и имеет ряд специфических, например существенный синергический эффект между биоагентами.

Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных факторов, влияющих на образование симбиоза, следует подчеркнуть, что формирование и функционирование симбиотических взаимодействий между растениями сои и азотфиксирующими бактериями, - процесс двусторонний. Поэтому действие любого внешнего фактора следует рассматривать не только с позиции влияния на бактерии, как это делают сейчас производственники и многие ученые, а комплексно, то есть по влиянию на обоих участников симбиоза.

Важным фактором формирования симбиотических отношений является генотип растения. Именно он провоцирует образование пузырьков, отвечает за их количество и размер.

Ведение селекции только по интенсивному типу (получение высоких показателей урожайности, содержания белка, масличности) без учета таких адаптивных свойств, как способность к симбиозу, устойчивость к высоким температурам, кислотности почвы и т.д., приводит к целенаправленному отбору в агробиоценозе. Следствием этого является появление устойчивых рас сорняков, а это, в свою очередь, приводит к прогрессирующей необходимости внесения гербицидов. Кроме этого, растет численность и негативное влияние вредителей и фитопатогенов, к тому же появляются виды, которые ранее не были характерны для агроценозов, в частности сои. Конечно, это требует внесения большого количества инсектицидов, акарицидов, фунгицидов. Поэтому для создания высокоэффективного симбиоза нужна постоянная селекция и обновление как сортов растений, так и штаммов микроорганизмов, основанная на принципах их комплементарности.

Еще одним элементом целенаправленного отбора является применение веществ, отвечающих за процесс образования пузырьков, этим самым вызывая снижение активности сортов к самостоятельному продуцированию сигнальных веществ, в частности флавоноидов, а у ризобий - соответствующих сигналов, например Nod-фактор, «сообщает» растению о наличии этих бактерий в прикорневой зоне почвы. После этого растение образует корневые клубеньки, где и «поселяются» бактерии, которые питаются ее питательными веществами и благодарят тому, что превращают азот в форму, доступную для потребления культурой.

Создание и существование симбиоза предусматривает пошаговое участие каждого из партнеров, но использование специальных «вспомогательных» веществ может привести к нарушению программы, заложенной природой, которая успешно функционировала десятки, даже сотни тысяч лет.

С экономической точки зрения мы становимся заложниками таких технологий, поскольку можем потерять генотипы как растений, так и микроорганизмов, способных самостоятельно создавать эффективный симбиоз.

Важным фактором, который нужно рассматривать с позиции обоих партнеров симбиоза, является кислотность почвы. Некоторые производители ошибочно считают, что сою нельзя выращивать на почвах с рН менее 5-5,5, поскольку клубеньковые бактерии при такой кислотности «не работают». Однако современные исследования говорят обратное: на различных типах почв из пузырьков бобовых растений выделяют ризобии, которые толерантны как к сильнокислым (3), так и к щелочным (8,5) значениям рН почвы. Это объясняется тем, что способность бактерий приспосабливаться к условиям окружающей среды, как правило, выше, чем у растений, поскольку и диапазон их существования значительно шире.

Что же происходит на самом дела? В почвах с рН менее 5,5 соединения алюминия гидролизуются с образованием токсичной формы алюминия трехвалентного, высокая концентрация которого является основным сдерживающим фактором жизнеспособности всех растений в 67% почв. Токсическое действие заключается в подавлении деления клеток корней, их удлинении и уменьшении доступности макроэлементов.

Низкие значения рН почвы пагубно влияют не столько на ризобии, сколько на проницаемость мембран растительных клеток, в результате чего бактерии не могут проникнуть внутрь. Для пузырьков рН-чувствительным периодом является начало инфекционного процесса, причем наиболее уязвимым является этап прикрепления ризобий к корневых волоскам. Нарушается обмен сигналами между растением-хозяином и микросимбионтом. Происходит снижение секреции растениями флавоноидов, что влияет на синтез соответствующих сигналов бактерий. Снижение сигналинга приводит к блокированию таких фаз, как деформация корневого волоска и его скручивания.

Как растения, так и ризобии уязвимы к высоким температурам на начальных этапах онтогенеза и установление симбиоза. В дальнейшем даже при высоких температурах, 30...35 °С, процесс образования пузырьков продолжается. Однако азотфиксации при таких условиях не происходит. Растения питаются преимущественно благодаря потреблению минерального азота, поэтому его наличие в почве в физиологическом оптимуме обеспечит формирование высокого урожая растений сои. Особое внимание и эффективность приобретают в таких условиях внекорневые подкормки растений сои невысокими дозами азота.

Ризобии, содержащиеся в почве, в основном устойчивы к краткосрочным периодам засухи. Недостаток влаги негативно влияет прежде всего на растительный организм. Неблагоприятное воздействие проявляется в нарушении процессов фотосинтеза, что приводит дефицит углеводов. Запускаются механизмы сохранения, и все питательные элементы расходуются на построение и развитие корневой системы, а именно новых корешков для «поиска» воды.

Таким образом недостаток углеводов в растении снижает активность уровня азотфиксации, что вызывает некротические процессы в клубеньках. После нормализации водного обмена в растении, которое поддалось влиянию стресса от засухи, старые клубеньки уже не восстанавливают свои функции. В то же время на периферийных корешках корневой системы образуются новые, более мелкие, клубеньки, уровень фиксации азота которых значительно ниже, чем потерявших жизнеспособность.

Еще одним фактором влияния на процесс симбиоза, который, кстати, вызывает наибольшие дискуссии, является применение пестицидов. Ученые нашего института исследовали ряд пестицидов по их влиянию на ризобии, процесс создания и функционирования симбиоза и в целом на растения сои.

Так, например, гербициды на основе глифосата в целом не влияют на сами бактерии. Их подавление происходит только при высоких концентрациях действующего вещества, однако наблюдается торможение нитрогеназной активности, особенно при недостатке влаги.

Биоагенты препарата Ризоактив были толерантными к пестицидам на основе ацетохлора, однако отмечали незначительное снижение количества пузырьков, что, впрочем, не сказывалось на продуктивности растений.

Однозначные выводы относительно негативного влияния пестицидов на симбиоз сделать трудно, так как при одних условиях пагубное воздействие наблюдается, других - совсем не проявляется. Для уверенности мы предлагаем проверку каждого препарата, который вы планируете использовать в технологиях выращивания сои, в нашей аккредитованной лаборатории.
В этой статье мы осветили тему симбиоза клубеньковых бактерий и растений сои, поскольку именно ее раскрытие дает ответы на вопросы, которые неоднократно звучали в процессе общения и активного сотрудничества с производителями на семинарах, в исследовательских экспедициях и непосредственно на полях наших клиентов. Надеемся, что полученные знания станут агропроизводителям полезны при выращивании сои и будут способствовать получению высоких и устойчивых урожаев.

Я. Чабанюк , д-р с.-г. наук, завотдела агроэкологии и биобезопасности,

І. Бровко , завлаборатории экологии микроорганизмов,

Институт агроэкологии и природопользования НААН

Информация для цитирования

Факторы существования симбиоза b. japonicum - соя / Я. Чабанюк, И. Бровко // Пропозиция. - 2017. - №3. - С. 36-37

Симбиоз корневых клубеньковых бактерий и растений

Такой тип симбиоза наиболее известен у бобовых растений, но исследователи выявили клубеньковые бактерии и у представителей других семейств флоры, например, у некоторых видов ольхи (семейство березовых). Клубеньки на корнях наполнены специфичными бактериями-азотфиксаторами.
Эти бактерии обладают уникальной способностью связывать, или фиксировать, атмосферный азот (находящийся в воздухе вокруг Земли в огромных количествах, но в нейтральной (совершенно недоступной растениям) и снабжать им растение-хозяина. От растения же бактерии получают питательные вещества - углеводы и др.

Такая форма симбиоза положительно сказывается на обоих участниках-симбионтах: бактерии нормально проходят свой цикл развития и параллельно благополучно, при достатке азота, самого необходимого элемента питания, развивается растение; в большинстве случаев речь идет о бобовых растениях. Такой источник азота для растений называют биологическим, а бобовые растения, по словам К. А. Тимирязева (1957), являются обогащающей почву культурой, так как в отличие от подавляющего числа растений, в том числе сельскохозяйственных культур, не только не обедняют почву, используя имеющийся в ней минеральный азот (почвенный источник азота), но и насыщают почву соединениями азота.

Насыщение происходит при выращивании бобовых растений, последующем разложении их корней и листьев. Кроме этого, бобовые растения отличаются повышенным внутренним содержанием азота, в частности сырого протеина, основную долю которого (до 80-90% - прим.. Так что, обсуждаемый тип симбиоза имеет очень большое значение в природе и особенно при культивировании растений, обеспечивая их высокую питательность и урожайность и одновременно - восстановление и повышение почвенного плодородия.
Этот факт удивительно эффективного сожительства бобовых растений и бактерий должен оцениваться как счастливый случай и щедрый подарок природы человеку!

Симбиоз бактерий и человека

Между человеком и бактериями установлены прочные отношения сотрудничества, называемого симбиозом. Бактерии помогают практически всем системам организма, например, иммунной - в защите от вирусов, ЖКТ - в переработке и усвоении пищи. Клетки эпителия, в зависимости от ситуации, выделяют специальные вещества, одни из которых привлекают бактерии (аттрактанты), другие – отпугивают (репелленты). Таким образом организм регулирует и обеспечивает благоприятную микрофлору.

Причиной всех инфекционных болезней является не сам факт попадания в организм болезнетворных бактерий, а нарушение бактериального баланса (дисбактериоз). В организме абсолютно здорового человека находятся возбудители практически всех болезней. Но они находятся как бы в спячке – естественная микрофлора подавляет их настолько, что они не могут вызвать никаких нарушений. Болезнь возникает только в том случае, если для нее есть предрасположенность.

Такое состояние называется предболезнью и характеризуется тем, что процессы распада тканей начинают преобладать над процессами их восстановления. Если организм ослаблен и не может справиться с этим своими силами, то на помощь приходят бактерии, для которых продукты распада являются пищей. Своими ферментами бактерии расщепляют отмершие ткани до «строительных кирпичиков», которые организм использует для сборки новых клеток. Так что бактерии в очаге болезни просто необходимы. Но организму нужно держать их под контролем и вовремя локализовать очаг болезни.

Исходя из вышесказанного, становится очевидным, что применение антибиотиков, так распространенное сегодня, является далеко не самым лучшим вариантом лечения. Мы отнюдь не станем более здоровыми, если максимально очистимся от бактерий. Важнее поддерживать подвижное бактериальное равновесие, чем бросаться в крайности. Ведь антибиотики убивают всю микрофлору без разбора. Кроме того, под влиянием антибиотиков бактерии начинают активно мутировать и становятся все менее восприимчивыми к ним, а вещества, которые бактерии выделяют для своей защиты, являются для человека крайне токсичными. В итоге взаимовыгодный симбиоз превращается во взаимную агрессию с печальными последствиями для обеих сторон.

Симбиоз бактерий и водорослей

Симбиоз бактерий и водорослей имеет место на начальных этапах самоочищения воды в прудах. К концу процесса очистки симбиоз сменяется антагонизмом. За счет выделения водорослями бактерицидных веществ происходит отмирание бактерий, и в частности патогенных кишечной группы. Поэтому в процессе доочистки сточных вод в биологических прудах имеет место не только удаление биогенных и органических веществ, но и бактериальных загрязнений. Как уже указывалось, для целей доочистки должны применяться строго аэробные биологические пруды. Важное значение имеет перемешивание воды, которое препятствует образованию анаэробных зон и способствует процессам стабилизации качества воды.

Поэтому в процессе доочистки сточных вод в биологических прудах имеет место не только удаление биогенных и органических веществ, но и бактериальных загрязнений. Как уже указывалось, для целей доочистки должны применяться строго аэробные биологические пруды. Обязательными условиями нормальной работы таких прудов является соблюдение оптимальных для водных организмов реакции среды (рН) и температуры, а также наличие растворенного. Важное, значение имеет перемешивание воды, которое препятствует образованию анаэробных зон и способствует процессам стабилизации качества воды.

Симбионты членистоногих

Внутриклеточные бактерии обнаружены у многих представителей отрядов насекомых и у клещей. У насекомых симбионты обычно располагаются в клетках специальных органов-мицетомов-или в определенных участках тела в специализированных клетках - мицетоцитах. Существует большое разнообразие анатомической организации мицетомов и способов передачи симбионтов потомству.

Симбионты обычны у форм насекомых, питающихся древесиной, соком растений или кровью, и отсутствуют у хищных форм, например, у хищных клопов. Однако у таракановых симбионты присутствуют всегда и у всех видов независимо от хаpaктера питания. Симбионтами обладают насекомые обоего пола или только самки (например, у некоторых тлей). Потомству симбионты обычно передаются через яйца и лишь в редких случаях через сперму.

Распространение и развитие симбионтов в организме насекомого-хозяина находится под строгим контролем со стороны последнего.
Следует отметить, что формирование мицетомов не является реакцией организма насекомого на внедрение бактерий и происходит и у особей, лишенных симбионтов. При помощи бактерицидных веществ могут быть получены насекомые без симбионтов, однако жизнеспособные особи образуются только из яиц, зараженных симбионтами.

Симбиозы светящихся бактерий

В кишечнике многих морских животных, прежде всего рыб, развиваются светящиеся бактерии. Все светящиеся бактерии обнаруживают хитиназную активность и, видимо, в кишечнике осуществляют разрушение этого полимера, не атакуемого ферментами хозяина. Тем самым они способствуют более полному использованию пищи хозяином. Из кишечника светящиеся бактерии попадают в воду. Светящиеся скопления бактерий на остатках фекалий и на частицах детрита привлекают рыб и других животных, которыми и поедаются.

Таким образом, бактерии попадают в кишечник, являющийся для них основной экологической нишей.
Светящиеся бактерии могут входить в симбиотические системы иного характера, не связанные с пищеварением и иногда высокоспециализированные. Эти бактерии обнаруживаются в специальных светящихся органах, фотофорах, некоторых голоногих моллюсков и морских, преимущественно глубоководных, рыб. К настоящему времени светящиеся бактерии-симбионты обнаружены у 50 видов, представляющих 30 родов 11 семейств. Светящиеся бактерии населяют специальные органы - бактериофотофоры. Строение фотофоров и их расположение в теле хозяина может сильно варьировать. Состав веществ, экскретируемых в полость фотофора, неизвестен, но, очевидно, они поддерживают жизнедеятельность бактерий и регулируют их метаболизм. Свечение бактерий происходит только в присутствии молекулярного кислорода, который поступает из крови рыбы, причем, меняя тонус сосудов, она имеет возможность регулировать интенсивность свечения.

Фотофор снабжен светорегулирующими и светораспределительными устройствами, достигающими иногда удивительной сложности и совершенства. В фотофорах рыб обитают светящиеся бактерии различного систематического положения, но у представителей одного вида рыб это обычно представители одного вида бактерий.

Клубеньковые бактерии были первой по времени группой азотфиксирующих микробов, о которых узнало человечество.

Около 2000 лет назад земледельцы заметили, что возделывание бобовых культур возвращает плодородие истощенной почве. Это особое свойство бобовых эмпирически связывали с наличием на корнях у них своеобразных узелков, или клубеньков, но объяснить причины этого явления долгое время не могли.

Потребовалось провести еще очень много исследований, чтобы доказать роль бобовых культур и живущих на их корнях бактерий в фиксации газообразного азота атмосферы. Но постепенно работами ученых разных стран была раскрыта природа и детально изучены свойства этих замечательных существ.

Клубеньковые бактерии живут с бобовыми растениями в симбиозе, т. е. приносят друг другу взаимную пользу: бактерии усваивают азот из атмосферы и переводят его в соединения, которые могут быть использованы растениями, а они, в свою очередь, снабжают бактерии веществами, содержащими углерод, который ранения усваивают из воздуха в виде углекислого газа.

Вне клубеньков на искусственных питательных средах клубеньковые бактерии могут развиваться при температурах от 0 до 35°, а наиболее благоприятными (оптимальными) для них являются температуры порядка 20-31°. Наилучшее развитие микроорганизмов наблюдается обычно в нейтральной среде (при pH равном 6,5-7,2).

В большинстве случаев кислая реакция почвы отрицательно сказывается на жизнедеятельности клубеньковых бактерий, в таких почвах образуются неактивные или неэффективные (не фиксирующие азот воздуха) их расы.

Первые исследователи клубеньковых бактерий предполагали, что эти микробы могут поселяться на корнях у большинства видов бобовых культур. Но затем было установлено, что они обладают определенной специфичностью, имеют свои «вкусы» и «снимают» будущее «жилье» в строгом соответствии со своими потребностями. Та или иная раса клубеньковых бактерий может вступать в симбиоз с бобовыми растениями только определенного вида.

В настоящее время клубеньковые бактерии подразделяют на следующие группы (по растениям-хозяевам, на которых они поселяются):

клубеньковые бактерии люцерны и донника;
клубеньковые бактерии клевера;
клубеньковые бактерии гороха, вики, чины и кормовых бобов;
клубеньковые бактерии сои;
клубеньковые бактерии люпина и сераделлы;
клубеньковые бактерии фасоли;
клубеньковые бактерии арахиса, вигны, коровьего гороха и др.

Надо сказать, что специфичность клубеньковых бактерий в различных группах бывает неодинаковой. Разборчивые «квартиросъемщики» иногда теряют свою щепетильность. Если клубеньковые бактерии клевера отличаются очень строгой специфичностью, то о клубеньковых бактериях гороха этого сказать нельзя.

Способность к образованию клубеньков свойственна далеко не всем бобовым, хотя в общем широко распространена у представителей этого огромного семейства. Из 12 тыс. видов бобовых было специально изучено 1063. Оказалось, что 133 из них не способны образовывать клубеньки.

Способность к симбиозу с азотфиксаторами, по-видимому, свойственна не только бобовым растениям, хотя в сельском хозяйстве они являются единственными важными азотфиксирующими культурами. Как установлено, атмосферный азот связывают бактерии, живущие в клубеньках на корнях лоха, облепихи, шефердии, сосны лучистой, ногоплодника, ежи сборной, субтропических растений рода казуарина. Способны к фиксации азота и бактерии, живущие в узлах листьев некоторых тропических кустарников.

Фиксацию азота осуществляют также актиномицеты, живущие в клубеньках корней ольхи, и, возможно, грибы, живущие в корнях райграса и некоторых вересковых растений.

Но для сельского хозяйства наибольший практический интерес представляют, конечно, бобовые. Большинство отмеченных небобовых растений сельскохозяйственного значения не имеет.

Очень важен для практики вопрос: как живут клубеньковые бактерии в почве до заражения ими корней?

Оказывается, клубеньковые бактерии могут очень долго сохраняться в почве при отсутствии «хозяев» - бобовых растений. Приведем такой пример. В Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева имеются поля, заложенные еще Д. Н. Прянишниковым. На них из года в гол возделываются одни и те же сельскохозяйственные культуры и сохраняется бессменный пар, на котором в течение почти 50 лет не выращивались никакие растения. Анализ почв этого пара и поля бессменной ржи показал, что в них в значительных количествах обнаруживаются клубеньковые бактерии. Под бессменной рожью их несколько больше, чем в пару.

Следовательно, клубеньковые бактерии сравнительно благополучно переживают отсутствие бобовых растений и могут очень долго ожидать встречи с ними. Но в этих условиях они теряют свое замечательное свойство фиксировать дзот. Однако бактерии с «удовольствием» прекращают «свободный образ жизни», как только на их пути попадается подходящее бобовое растение, они тотчас же проникают в корни и создают свои домики-клубеньки.

В сложном процессе образования клубеньков принимают участие три фактора: два живых организма - бактерии и растения, между которыми устанавливаются тесные симбиотические взаимоотношения, и условия внешней среды. Каждый из этих факторов - активный участник процесса образования клубеньков.

Одна из важных особенностей клубеньковых бактерий состоит в их способности выделять так называемые стимулирующие вещества; эти вещества вызывают бурное разрастание тканей корня.

Другая их существенная особенность способность проникать в корни определенных растений и вызывать образование клубеньков, иначе говоря их инфекционная способность, которая, как уже говорилось, различна у разных рас клубеньковых бактерий.

Роль бобового растения в образовании клубеньков определяется способностью растений выделять вещества, стимулирующие или угнетающие развитие бактерий.

Большое влияние на восприимчивость бобового растения к заражению клубеньковыми бактериями оказывает содержание в его тканях углеводов и азотистых веществ. Обилие углеводов в тканях бобового растения стимулирует образование клубеньков, а повышение содержания азота, напротив, угнетает этот процесс. Таким образом, чем выше в растении соотношение C/N, тем лучше идет развитие клубеньков.

Интересно, что азот, содержащийся в тканях растения, как бы мешает внедрению азота-«пришельца».

Третий фактор - внешние условия (освещение, элементы питания и т. д.) также оказывает значительное влияние на процесс образования клубеньков.

Но возвратимся к характеристике отдельных видов клубеньковых бактерий.

Инфекционная способность, или способность к образованию клубеньков, не всегда еще говорит о том, насколько активно клубеньковые бактерии фиксируют азот атмосферы. «Работоспособность» клубеньковых бактерий в связывании азота называют чаще их эффективностью. Чем выше эффективность, тем больше коэффициент полезного действия этик бактерий, тем более ценны они для растения, а значит и для сельского хозяйства вообще.

В почве обнаруживаются расы клубеньковых бактерий эффективные, неэффективные и переходные между этими двумя группами. Заражение бобовых растений эффективной расой клубеньковых бактерий способствует активной фиксации азота. Неэффективная раса вызывает образование клубеньков, но азотфиксации в них не происходит, следовательно, напрасно расходуется строительный материал, растение «даром» кормит Своих «постояльцев».

Имеются ли различия между эффективными и неэффективными расами клубеньковых бактерий? До сих пор таких отличий в форме или в поведении на искусственных питательных средах не удалось найти. Но у клубеньков, образованных эффективными и неэффективными расами, обнаруживаются некоторые отличия. Существует, например, мнение, что эффективность связана с объемом зараженных бактериями тканей корня (у эффективных рас она в 4-6 раз больше, чем у неэффективных) и длительностью функционирования этих тканей. В инфицированных эффективными бактериями тканях всегда обнаруживаются бактероиды и красный пигмент, вполне тождественный гемоглобину крови. Его называют леггемоглобнном. Неэффективные клубеньки имеют меньший объем инфицированной ткани, в них отсутствует леггемоглобин, бактероиды обнаруживаются не всегда и выглядят они иначе, чем в эффективных клубеньках.

Эти морфолого-биохимические отличия используют для выделения эффективных рас клубеньковых бактерий. Обычно бактерии, выделенные из крупных, хорошо развитых клубеньков, имеющих розоватую окраску, бывают весьма эффективными.

Выше уже говорилось, что «работа» клубеньковых бактерий и ее «коэффициент полезного действия» зависит от ряда внешних условий: температуры, кислотности среды (pH), освещения, снабжения кислородом, содержания в почве питательных элементов и т. д.

Влияние внешних условий на фиксацию клубеньковыми бактериями атмосферного азота можно показать на нескольких примерах. Так, значительную роль в эффективности азотфиксации играет содержание в почве азотнокислых и аммиачных солей. В начальных фазах развития бобового растения и образования клубеньков присутствие в почве небольших количеств этих солей оказывает благоприятное влияние на симбиотическое сообщество; а позже это же количество азота (особенно нитратной его формы) угнетает азотфиксацию.

Следовательно, чем богаче почва доступным для растения азотом, тем слабее протекает фиксация азота. Азот, содержащийся в почве, так же как и находящийся в теле растения, как бы препятствует привлечению новых его порций из атмосферы. Среди других элементов питания заметное влияние на азотфиксацию оказывает молибден. При добавлении в почву этого элемента азота накапливается больше. Объясняется это, по-видимому, тем, что молибден входит в состав ферментов, осуществляющих фиксацию атмосферного азота.

В настоящее время достоверно установлено, что бобовые, выращиваемые в почвах, содержащих недостаточное количество молибдена, развиваются удовлетворительно и образуют клубеньки, но совершенно не усваивают атмосферный азот. Оптимальное количество молибдена для эффективной азотфиксации составляет около 100 г молибдата натрия на 1 га.

Роль бобовых культур в повышении плодородия почвы

Итак, бобовые культуры имеют очень большое значение для повышения плодородия почвы. Накапливая азот в почве, они препятствуют истощению его запасов. Особенно велика роль бобовых в тех случаях, когда они используются на зеленые удобрения.

Но практиков сельского хозяйства, естественно, интересует и количественная сторона. Какое количество азота может быть накоплено в почве при культивировании тех или иных бобовых растений? Сколько азота остается в почве, если урожай полностью убирается с поля или если бобовые запахивают как зеленое удобрение?

Известно, что в случае заражения бобовых эффективными расами клубеньковых бактерий они могут связывать от 50 до 200 кг азота на гектар посева (в зависимости от почвы, климата, вида растения и т. д.).

По данным известных французских ученых Пошона и Де Бержака, в обычных полевых условиях бобовые культуры фиксируют приблизительно следующие количества азота (в кг /га):

Корневые остатки однолетних и многолетних бобовых растений в разных условиях культуры и на разных почвах содержат различные количества азота. В среднем люцерна ежегодно оставляет в почве около 100 кг азота на гектар. Клевер и люпин могут накопить в почве приблизительно по 80 кг связанного азота, однолетние бобовые оставляют в почве до 10-20 кг азота на гектар. Учитывая площади, занятые в СССР бобовыми, советский микробиолог Е. Н. Мишустин подсчитал, что они возвращают полям нашей страны ежегодно около 3,5 млн. т азота. Для сравнения укажем, что вся наша промышленность в 1961 году выработала 0,8 млн. т азотных удобрений, а в 1965 году даст 2,1 млн. т. Таким образом, азот, добываемый из воздуха бобовыми в симбиозе с бактериями, занимает ведущее место в азотном балансе земледелия нашей страны.