ЛЕКЦИЯ 3 Микробные почвоудобрительные препараты и их роль в питании растений и повышении плодородия почвы Трофические симбиозы, основанные на мутуализме: бобово-ризобиальный и арбускулярная микориза Микробные удобрения на основе симбиотических микроорганизмов, их роль в обеспечении растений азотом и фосфором История создания микробных препаратов на основе клубеньковых бактерий и арбускулярных микоризных грибов Мировой рынок микробных удобрений и эффективность их применения в различных агро-экологических условиях для повышения плодородия почвы и урожайности растений.
Существуют сообщества разноименных микроорганизмов или микро- и макроорганизмов в условиях тесного и длительного пространственного контакта, когда партнеры взаимно приспосабливаются к совместному существованию. Такие взаимоотношения между организмами называют симбиозом (от греч. symbiosis — совместная жизнь). По характеру взаимоотношений между партнерами различают несколько типов симбиоза: комменсализм, мутуализм и паразитизм. Комменсализм (от лат. сот — вместе и mensa — стол, трапеза) — тип симбиоза, когда один из партнеров симбиотической системы (комменсал) возлагает на другого партнера (хозяина) регуляцию своих взаимоотношений с окружающей средой. Например, эпифиты, колонизующие надземные части растений (листья, стебли), живут как комменсалы. Отдельные типы симбиоза существенно различаются и относительной выгодой, которую получает каждый из партнеров сообщества. При мутуалистическом (от лат. mutuus — взаимный) симбиозе оба партнера извлекают пользу от взаимосуществования, при этом ни один из них не может существовать без другого. Паразитический (от греч. parasites — нахлебник) симбиоз полезен только одному из партнеров (паразиту), в то время как второй (хозяин) не получает ничего, а часто даже приобретает различной степени повреждения. Тип симбиоза может изменяться при смене условий окружающей среды, и взаимоотношения, бывшие ранее взаимовыгодными, могут стать паразитическими, и наоборот. Широко известны и такие взаимоотношения, как симбиоз гриба с растением при образовании микориз, симбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми растениями, симбиоз целлюлозоразлагающих бактерий, обитающих в рубце крупного рогатого скота, с животным и др.
Наибольшее экологическое значение для растений имеют ЭНДОСИМБИОНТЫ – азотфиксаторы и микоризные грибы Клубеньковые бактерии – Арбускулярные микоризные грибы – факультативные симбионты легко культивируются ex planta для них симбиоз является облигатным, вне растения они существуют лишь в виде покоящихся спор Бобово-ризобиальный симбиоз образуется только с некоторыми двудольными растениями Бобово-ризобиальный симбиоз возник 60 -70 млн. лет назад в эпоху дивергенции основных семейств цветковых Арбускулярная микориза - универсальный растительномикробный симбиоз, его формирует 75 -90% видов наземных растений. Арбускулярная микориза возникла 400 -500 млн. лет назад, обеспечила выход растений на сушу Для обоих симбиозов характерны колонизация микробами кортекса и образование в его клетках специализированных компартментов. На ультраструктурном уровне существует аналогия между: развитием инфекционных нитей и межклеточных гиф; формированием инфекционных капель и арбускул; эндоцитозом ризобий и деградацией арбускул.
Каждое бобовое растение обладает определенным химическим "портретом", который определяется спектром флавоноидных соединений, специфичных для каждого бобового растения. Сигнальные молекулы флавонов и флавоноидов способны регулировать экспрессию бактериальных генов так, что одни соединения вызывают экспрессию Sym генов бактерий при специфичном взаимодействии (нарингенин - у клубеньковых бактерий гороха, лютеолин - у клубеньковых бактерий люпина, дайдзеин у клубеньковых бактерий сои и т. д. ), а при неспецифичном взаимодействии те же соединения могут играть роль ингибиторов клубенькообразования.
Развитие клубеньков начинается с сигнального взаимодействия: флавоноиды, выделяемые семенами и корнями, активизируют гены вирулентности ризобий. Под контролем этих генов синтезируются липо-хито-олигосахаридные Nod-факторы, которые индуцируют начальные этапы развития клубеньков. Их эффект проявляется при концентрации 10 -8 – 10 -12. Развитие симбиоза подразделяют на 3 этапа: • преинфекция • инфицирование корней и образование клубеньков • функционирование клубеньков как органов азотфиксации. Инфицирование происходит через корневые волоски, которые при этом скручиваются, принимая форму «ручки зонта» . В месте наиболее резкого сгиба волоска клеточная стенка деградирует, и с участием мембранных структур растительной клетки формируется пальцеобразное впячивание плазмалеммы, содержащее бактерии. Наблюдается не активное внедрение бактерий в корневые волоски, а захват волосками бактерий, которые оказываются заключенными внутри особого туннеля – инфекционной нити (ИН). Ее стенки являются продолжением стенок растительных клеток, а внутреннее пространство заполнено матриксом, в образовании которого участвовали оба партнера.
6 к I 5 к 4 к 3 к 2 к 1 к II IV 4 м ИН КВ КП
Параллельно с развитием ИН происходит закладка клубенькового примордия, связанная с изменением клеток кортекса, индуцируемого Nod-факторами. В растущей примордии начинается гистогенез в результате которого формируются периферические и центральные ткани клубенька, а также апикальная меристема. ИН через 2 -3 суток достигает основания корневого волоска, проникает в кортекс, а затем и в растущий клубенек. Ключевая стадия развития клубенька – переход бактерий в состояние внутриклеточных симбионтов, происходящий путем эндоцитоза. Дистальные участки ИН преобразуются в особые структуры – инфекционные капли, освобождающие в растительную цитоплазму мембранные везикулы, содержащие бактерии. Бактериальные клетки, окруженные перебактероидной мембраной, являются основной внутриклеточной единицей симбиоза – симбиосомой. В течение некоторого времени после выхода из ИН ризобии сохраняют свои размеры и палочковидную форму, а затем превращаются в особые формы – бактероиды. В бактероидах активируется синтез нитрогеназы, катализирующей восстановление азота в аммиак. В инфицированных растительных клетках осуществляется синтез ряда белков, в первую очередь леггемоглобина и др. Он связывает кислород, обеспечивая его транспорт к симбиосомам, а также микроаэрофильные условия, необходимые для работы нитрогеназы. Это позволяет растениям разрешить «кислородный парадокс» . Деградация клубенька начинается с преобразования симбиосом в литические компартменты , что позволяет растению полностью утилизировать продукты азотфиксации, накопленные в бактероидах.
Процесс развития арбускулярной микоризы можно условно разделить на три этапа: • преинфекционные взаимодействия, • формирование межклеточного мицелия, • развитие внутриклеточных симбиотических структур. На первом этапе споры гриба прорастают в почве и образуют специальные структуры прикрепления – апрессории. На втором этапе из апрессорий внутрь корня начинают расти инфицирующие гифы, проникая через ризодермис в кортекс, где образуют разветвленный мицелий, колонизирующий межклеточные пространства. На третьем этапе в местах тесного контакта мицелия с клетками гифы проникают в клетки кортекса, где образуются арбускулы – разветвленные структуры, глубоко вросшие в растительную клетку и окруженные растительной (периарбускулярной) мембраной и редуцированной клеточной стенкой. Арбускулы являются местами наиболее интенсивного обмена метаболитами у партнеров, в частности, передачи в растение фосфатов, поглощаемых грибом из почвы. При образовании арбускул между стенками растительных клеток и гифами образуется матрикс (апопласт), который содержит полисахариды и ферменты, синтезируемые обоими партнерами. Арбускулы существуют в течение нескольких дней, затем лизируются хозяином, а взамен гифы в кортексе корня образуют новые арбускулы.
При формировании арбускул в растительных клетках наблюдают ряд ультраструктурных изменений: уменьшается или полностью исчезает вакуоль; пластиды деградируют до состояния пропластид; резко возрастает количество тубулина. Ядро растительной клетки, содержащей арбускулу, увеличивается в размере и деформируется, а хроматин переходит в диффузное состояние, что говорит о высокой транскрипционной активности. Значительно возрастает количество телец Гольджи и эндоплазматического ретикулюма, которые участвуют в формировании периарбускулярной мембраны. Везикулы, характерные для АМ, – сферические или овальные пузырчатые вздутия в середине или на концах гиф. Формы и размеры везикул сильно варьируют в пределах 25 -60 до 120 -150 мкм. Они обычно многоядерны, имеют связь с несущими их гифами. Вокруг корня формируется редкая сеть наружного мицелия с гифами диаметром 20 -30 мкм, на концах которых образуются крупные покоящиеся споры. Именно за счет этих внешних гиф, выступающих за пределы корня на несколько сантиметров, резко увеличивается площадь поглощения корневой системы, что особенно важно в случае отсутствия корневых волосков у растений.
Микробные удобрения азотфиксирующие Ассоциативные ризобактерии Симбиотические бактерии Цианобактерии фосфатсолюбилизирующие Фосфатсолюбилизирующие бактерии Арбускулярные микоризные грибы Свободноживущие диазотрофы Азотфиксирующие 78, 7% 2014 – 1, 4204 млрд. $ 2019 – 1, 6497 млрд. $ Фосфатсолюбилизирующие 14, 6% и другие 6, 7% Мировой рынок биоудобрений, 2012 г.
Производство микробного удобрения НИТРАГИН для бобовых культур 20 млн. га/порций (2008 г. ) 11 млн. га/порций (1959 г. ) 10 тыс. га/порций (Ежегодно) 20 тыс. га/порций (1949 г. ) 60 тыс. га/порций (1955 г. ) 200 тыс. га/порций (1961 г. ) 200 тыс. га/порций (1929 г. ) 300 тыс. га/порций (1956 -1957 гг. ) 110 тыс. га/порций (1961 г. ) 2, 5 -3 млн. га/порций (1960 -1970 гг. ) 40 тыс. га/порций (1960 -1970 гг. ) 300 тыс. га/порций (1965 г. ) 238 тыс. га/порций (1962 г. )
Биотехнологическим центром Института микробиологии Ризобактерин Сапронит Ризофос «Клевер» Ма. Кло. Р Вогал Агро. Микробные удобрения, га/норма 36751 Биолинум Гордебак Ризофос «Люцерна» Ризофос «Галега» Фитостимофос 30136 26845 24081 Соя. Риз 19897 Поли. Фун. Кур 14926 МИКРОБНЫЕ УДОБРЕНИЯ ПОЗВОЛЯЮТ: -уменьшить дозы вносимых минеральных азотных и фосфорных удобрений на 20 -30%; 2009 2010 2011 2012 2013 2014 -повысить урожайность сельскохозяйственных культур на 15 -25% -повысить качество и безопасность выращиваемой продукции; -обеспечить устойчивость растений к неблагоприятным условиям окружающей среды
Микробный препарат Ризофос ИНОКУЛЯЦИЯ СЕМЯН БОБОВЫХ ТРАВ Марка «Клевер» Марка «Люцерна» Марка «Галега» КОЕ/мл, не менее: Rhizobium trifolii № 9 -1, 7· 1010 Васillus subtilis 7 - 1, 3· 1010 КОЕ/мл, не менее: Sinorhizobium meliloti S 3 - 9, 2· 108 Васillus subtilis 7 - 3, 3· 108 КОЕ/мл, не менее: Rhizobium galegae№ 1 - 3, 5· 109 Васillus subtilis 7 - 3, 2· 109 Энергосберегающая технология совместного культивирования азотфиксирующих и фосфатмобилизирующих бактерий Нодулирующая способность ризобий в условиях светокультуры Влияние инокуляции ризобиями галеги на содержание легкорастворимого белка в листьях Углеводный состав экзополисахаридов (%)
Эффективность применения микробного препарата Ризофос Норма внесения: 200 мл на 1 гектарную норму семян Марка «Люцерна» Марка «Галега» Культура клевер луговой люцерна галега восточная Прибавка, ц/га к. ед. Чистый доход тыс. руб. /га 15, 5 194 14, 3 177 люцерна 36, 9 482 галега восточная Экономическая эффективность применения микробного препарата Ризофос под многолетние бобовые травы Культура клевер луговой Контроль Ризофос 125 151 92 119 227 294 Урожайность состав семян, кг/га Марка «Клевер»
ТУ BY 100289066. 065 -2010 Содержание жизнеспособных клеток B. japonicum - 1, 44∙ 1010 КОЕ/мл. Контроль 45. 4 42. 3 52 28. 8 22. 7 0 Высота растений Вес фитомассы Нодулирующая (сырой) способность Влияние Соя. Риз на биометрические показатели Динамика роста Br. japonicum 84 KL на маннитно - люпиновой среде при разном объеме вносимого посевного материала растений сои Преимущества применения биоудобрения Соя. Риз : Сыпучую препаративную форму биоудобрения получают путем иммобилизации на торфяном субстрате–носителе клеток эффективного штамма клубеньковых бактерий Bradyrhizobium japonicum • Гарантированный рост урожайности семян сои от 5 до 35%, зеленой массы – до 30% • увеличение урожайности семян сои на фоне Р 50 К 120 на 7, 8 ц/га • Срок хранения 6 месяцев
Благодарю за внимание
Скачать презентацию ЛЕКЦИЯ 3 Микробные почвоудобрительные препараты и их роль
лекция 3 Алещенкова.pptx