Симбиотические азотфиксаторы

Запасы газообразного азота в атмосфере практически неисчерпаемы. Над каждым квадратным километром земной поверхности в воздухе содержится около 8 млн. т азота. Но этими огромными запасами азота не могут воспользоваться растения, которым необходим азот минеральных соединений.

Однако существуют микроорганизмы, способные питаться молекулярным азотом и строить из него все разнообразие азотсодержащих органических соединений своей клетки. Эти микроорганизмы свободно живут в почве или находятся в симбиозе с высшим растением. Азотфиксирующие микроорганизмы способствуют повышению плодородия почвы, и их изучению уделяется большое внимание.

Азотфиксирующие микроорганизмы, которые живут в симбиозе с корнями бобовых растений и образуют на их корнях клубеньки, называют клубеньковыми бактериями.

Растение обеспечивает бактерии необходимыми питательными веществами и создает для них оптимальные условия существования. Бактерии же, находясь в клубеньках, снабжают растение азотистым питанием. Ни растение, ни бактерии сами по себе не могут фиксировать азот.

Клубеньковые бактерии относятся к роду Rhizobium. Форма и величина клубеньковых бактерий изменяется в зависимости от стадии их развития. В молодой культуре они представлены короткими подвижными палочками, которые со временем утрачивают подвижность и переходят в стадию так называемых опоясанных палочек. При окраске анилиновыми красителями ярко окрашенные участки цитоплазмы чередуются со светлыми полями, в которых концентрируются жировые включения, не воспринимающие окраску. При старении культуры опоясанные палочки переходят в стадию бактероидов, клетки ветвятся, принимая причудливую форму кораллов. Стадии опоясанных палочек и бактероидов обычно совпадают с фазой бутонизации и цветения бобовых растений и характеризуются максимальной интенсивностью фиксации азота.

Бактерии рода Rhizobium в симбиозе с бобовыми культурами способны фиксировать свободный азот атмосферы, превращая его в соединения, легкоусвояемые растением. Эти бактерии являются строгими аэробами. Среди бактерий рода Rhizobium различают активные, малоактивные и неактивные культуры. Критерий активности клубеньковых бактерий связан с их способностью в симбиозе с бобовым растением фиксировать атмосферный азот и использовать его в виде соединений для корневого питания растения.

Фиксация атмосферного азота возможна только в образующихся в корневой системе растения клубеньках. Их возникновение связано с инфицированием корневой системы бобового растения бактериями из рода Rhizobium. Заражение корневой системы происходит только через молодые корневые волоски: после внедрения бактерии прорастают внутри них до самого основания в виде инфекционной нити. Выросшие нити проникают сквозь стенки эпидермиса в кору корня, разветвляются и распределяются по клеткам коры. При этом индуцируется деление клеток хозяина и разрастание тканей. В месте локализации бактерий на корне растения-хозяина образуются клубеньки, в которых они быстро размножаются и располагаются по отдельности или группами в цитоплазме растительных клеток. Сами бактериальные клетки увеличиваются в объеме в 10-12 раз и меняют свою форму. Если такие клубеньки имеют красноватую или розоватую окраску, обусловленную наличием пигмента легоглобина (легглобина)- аналога гемоглобина крови животных, то они способны фиксировать молекулярный азот. Неокрашенные ("пустые") или имеющие зеленоватую окраску клубеньки не фиксируют азот.

Бактерии, находящиеся в клубеньках, синтезируют ферментную систему с нитрогеназной активностью, восстанавливающую молекулярный азот до аммиака. Ассимиляция аммиака происходит, в основном, вовлечением его в ряд ферментативных превращений, приводящих к образованию глутамина и глутаминовой кислоты, которые в дальнейшем идут на биосинтез белка.

Клубеньковые бактерии обладают избирательной способностью вступать в симбиотические взаимоотношения с различными бобовыми растениями. На основании специфичности симбиоза все клубеньковые бактерии делят на виды: бактерии гороха – Rhizobium leguminosarum, донника и люцерны - Rh. meliloti; клевера - Rh.trifolii; фасоли - Rh.phaseoli; люпина - Rh. lupini; сои - Rh. japonicum и др.

Клубеньковые бактерии отдельных видов имеют некоторые разнообразия морфологических форм. Так, Rh.trifolii - толстые и короткие (до 2 мкм), покрытые слизью палочки; Rh. Leguminosarum – палочки длиной 3,5-4 мкм; Rh.lupini - сильно изогнутые, крупные, покрытые слизью палочки.

Неодинаковые у бобовых растений и формы, и размеры клубеньков, а также расположение их на корнях. У одних бобовых растений (горох, клевер, вика) клубеньки образуются в виде небольших вздутий на различных разветвлениях корней; у других (люпина) - имеют вид крупных бородавчатых наростов на главном корне.

Клубеньковые бактерии имеют очень большое сельскохозяйственное значение, так как, усваивая азот из воздуха, они способствуют повышению урожайности сельскохозяйственных и особенно бобовых культур.