УСТОЙЧИВАЯ К КАДМИЮ РАСТИТЕЛЬНО-МИКРОБНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ t, ГРИБА АРБУСКУЛЯРНОЙ МИКОРИЗЫ, МУТАНТА ГОРОХА SGECd КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ И РИЗОБАКТЕРИЙ Пухальский Я. В. 1, Шапошников А. И. 1, Азарова Т. С. 1, Макарова Н. М. 1, Сафронова В. И. 1, Белимов А. А. 1, Тихонович И. А. 1, Завалин А. А. 2 1 Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии Россельхозакадемии, jankiss 88@gmail. com 2 Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д. Н. Прянишникова Россельхозакадемии Введение Тяжелые металлы (ТМ), в том числе кадмий, являются одними из самых распространенных и опасных загрязнителей почвы. Интенсивное развитие промышленности, транспорта и сельскохозяйственного производства приводит к образованию как локальных очагов с экстремально высокими концентрациями ТМ, так и к умеренному загрязнению обширных территорий сельскохозяйственных угодий. В течение последних десятилетий активно обсуждаются перспективы развития биологических технологий фиторемедиации загрязненных почв на основе использования растений, что обеспечивает сохранение агроландшафтов и восстановление здоровых экосистем (Golubev, 2011). Растения неразрывно связаны с симбиотрофными микроорганизмами, которые улучшают рост и питание растений и повышают их адаптацию к неблагоприятным условиям среды. Многие симбиотические микроорганизмы содержат фермент АЦК дезаминазу, который повышает устойчивость растений к стрессам за счет снижения биосинтеза стрессового фитогормона этилена (Белимов и Сафронова, 2011). Особую роль для восстановления плодородия и биоценоза загрязненных почв могут играть бобовые растения, активно образующие различного типа симбиозы с микроорганизмами (Safronova et al. , 2011). Целью наших исследований являлось создание симбиотической растительно-микробной системы, состоящей из устойчивых к кадмию бобового растения и комплекса симбиотических микроорганизмов, с повышенным адаптационным потенциалом для восстановления здоровых экосистем. Объекты и методы исследований Гриб арбускулярной микоризы: Glomus sp. 1 Fo SGECdt Основными объектами исследований были: (1) уникальный мутант гороха с повышенной устойчивостью и аккумуляцией кадмия (Tsyganov et al. , 2007; Рис. 1); (2) устойчивый к кадмию генотип горчицы сарептской (Brassica juncea (L. ) Czern. ) ВИР 263 (Belimov et al. , 2007); (3) устойчивый к кадмию штамм арбускулярного микоризного гриба Glomussp. 1 Fo; (4) устойчивые к кадмию штаммы клубеньковых (Rhizobium leguminosarum bv. viciae 1066) и ассоциативных (Variovorax paradoxus 5 С-2) бактерий, содержащие фермент АЦК дезаминазу. Микроорганизмы получены из коллекции ВКСМ (ГНУ ВНИИСХМ, Санкт. Петербург). Вегетационный опыт проводили в теплице с естественными освещением и температурой в летний период (июнь-август 2012; Санкт-Петербург). Использована дерновоподзолистая слабоокультуренная почва , обогащенная 15 мг/кг Cd в форме хлорида. Численность бактерий V. paradoxus 5 C-2 в ризосфере растений определяли используя природную устойчивость этого штамма к 20 мг/л рифампицина и 30 мг/л канамицина. Образцы корней микроскопировали для определения микоризации (встречаемость микоризной инфекции – “F”, интенсивность микоризации в корне – “M”, обилие арбускул в корне – “A” и в микоризе – “a”, обилие везикул в корне – “B” и в микоризе – “в”) как описано ранее (Зольникова и Воробьев, 1992). Содержание общего азота в растениях определяли на элементном анализаторе Flash. EA 1112. Содержание фосфора и других питательных элементов (К, Mg, S, Ca, Fe, Zn, Mn), а также кадмия определяли на анализаторе ICPE-9000 (Shimadzu, Япония). Все расчеты и математические анализы выполняли с помощью программы STATISTICA V-6 (Stat. Soft, Inc. , USA). Клубеньковые бактерии: R. leguminosarum bv. viciae 1066 Ризобактерии: Variovorax paradoxus 5 C-2 Рис. 1. Компоненты устойчивой к кадмию растительно-микробной системы Таблица 1. Микоризация корней гороха Частота встречаемости инфекции (F), интенсивность микоризации (М), обилие арбускул в корнях (А) и обилие арбускул в микоризованных участках корней (а). Вариант SGE без Cd, SGECdt без Cd F, % 81 ± 8 b 90 ± 5 b M, % 36 ± 13 ab 48 ± 5 b А, % 7 ± 2 ab 11 ± 3 ab а, % 27 ± 5 ab 28 ± 6 ab SGE с Cd, SGECdt с Cd 62 ± 3 a 86 ± 5 b 26 ± 4 a 44 ± 6 ab 3± 2 a 16 ± 5 b 11 ± 6 a 33 ± 7 b Рис. 2. Количество клубеньков на корнях гороха Рис. 3. Численность V. Paradoxus 5 C-2 Результаты В присутствии токсичных концентраций кадмия в почве у устойчивой к кадмию симбиотической растительно-микробной системы, состоящей из мутанта гороха SGECdt и комплекса микроорганизмов Glomus sp. 1 Fo, Rh. leguminosarum bv. viciae 1066) и V. paradoxus 5 С-2, происходило активное образование и функционирование симбиотических структур, включая развитие микоризы (Таблица 1), образование азотфиксирующих клубеньков (Рис. 2) и колонизация корней интродуцированными ризобактериями (Рис. 3). Инокуляция гороха микроорганизмами в условиях кадмиевого стресса повысила биомассу гороха в 2 -3 раза и существенно повысила вынос кадмия растениями из почвы (Рис. 4). Существенный вклад в улучшение роста растений гороха и потребления ими элементов минерального питания внес также генотип растения, поскольку биомасса мутанта SGECdt была больше по сравнению с диким типом на 60%. Ростовая реакция горчицы сарептской на инокуляцию микроорганизмами была несущественной и не влияла на содержание и вынос кадмия растениями из почвы. Внешний вид растений представлен на рисунке 5. Установлено, что предлагаемая симбиотическая система существенно повышает адаптационный потенциал бобового растения (горох является чувствительным к кадмию видом и не аккумулирует этот токсикант) к токсичному кадмию, делает его сравнимым по фитоэкстракционной способности с известным аккумулятором кадмия горчицей сарептской, и обогащает почву полезными микроорганизмами. Данный эффект достигается за счет генетической модификации растения и положительного действия микроорганизмов на рост, минеральное питание и аккумуляцию кадмия растениями. Полученные научные результаты могут быть использованы для создания эффективных экологически безопасных, ресурсо- и энергосберегающих технологий фитостабилизации восстановления здоровых фито- и микробоценозов загрязненных почв. Рис. 5. Внешний вид растений в вегетационном опыте Рис. 4. Рост и аккумуляция кадмия растениями из загрязненной почвы Сухая биомасса растений Концентрация кадмия в растениях Вынос кадмия растениями Растения: (■) SGE, (■) SGECdt, горчица сарептская (■). Почва: (-Cd) необогащенная кадмием, (+Cd) (-И) без инокуляции, обогащенная 15 мг Cd/кг. Варианты инокуляции: (+И) инокуляция смесью микроорганизмов. Отрезками указаны ошибки средних. SGECdt SGE - Cd - U 1. 2. 3. 4. 5. 6. SGECdt SGE - Cd + U SGECdt SGE + Cd - U SGECdt SGE + Cd + U Горчица – Cd -U +U Горчица + Cd -U +U Цитируемая литература: Белимов А. А. , Сафронова В. И. АЦК дезаминаза и растительно-микробные взаимодействия (обзор). Сельскохозяйственная биология. 2011, № 3, 23 -28. Зольникова Н. В. , Воробьев Н. И. Методы исследования грибов, образующих с растениями микоризу арбускулярно-везикулярного типа, Изд. РАСХН, СПб, 1992, 44 с. Belimov A. A. , Safronova V. I. , Demchinskayaa S. V. , Dzyuba O. O. Intraspecific variability of cadmium tolerance in hydroponically grown Indian mustard (Brassica juncea (L. ) Czern. ) seedlings. Acta Physiol. Plant. , 2007, 29, 473 -478. Golubev I. A. (Ed. ) Handbook for Phytoremediation, NOVA Sci. Publ. , USA, 2011, 815 р. Safronova V. I. , Piluzza G. , Bullitta S. , Belimov A. A. Use of legume-microbe symbioses for phytoremediation of heavy metal polluted soils: advantages and potential problems (Review). In: Handbook for Phytoremediation, Golubev I. A. (Ed. ), NOVA Sci. Publ. , USA, 2011, 443 -469. Tsyganov V. E. , Belimov A. A. , Borisov A. Y. , Safronova V. I. , Georgi M. , Dietz K. -J. , Tikhonovich I. A. A chemically induced new pea (Pisum sativum L. ) mutant SGECdt with increased tolerance to and accumulation of cadmium. Ann. Botany, 2007, 99, 227 -237. Работа поддержана грантами РФФИ (09 -04 -01614 -a; 12 -04 -01501 -а) и Минобрнауки РФ (ГК 16. 512. 11. 2162).
Скачать презентацию УСТОЙЧИВАЯ К КАДМИЮ РАСТИТЕЛЬНО-МИКРОБНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ t
Пухальский-стенд МГУ 2013.pptx