Общая микробиология - Шлегель Г. 1987

Фиксация молекулярного азота
Фиксация азота симбиотическими бактериями

Только прокариоты способны использовать запасы азота, содержащиеся в атмосфере, - фиксировать молекулярный азот. Частью самостоятельно, а частью в симбиозе с высшими растениями они переводят инертный N₂ в органические соединения и включают его (непосредственно или через растения) в белок, который в конечном счете попадает в почву. В результате связывания N₂ клубеньковыми бактериями в симбиозе с растениями семейства бобовых почва ежегодно обогащается азотом в количестве 100-300 кг на 1 га. Свободиоживущие азот- фиксирующие микроорганизмы вносят в почву 1-3 кг азота на 1 га в год. Кроме того, значительные количества связанного азота могут попадать в почву из атмосферы с осадками. Это дает (в зависимости от загрязненности воздуха) от 3 до 30 кг азота на 1 га в год (см. разд. 1.3).

По приблизительной оценке, в 1974 г. на всем земном шаре было связано 175∙10⁶ т азота, из них 90∙10⁶ т на сельскохозяйственных угодьях и 40∙10⁶ т -в промышленности по методу Габера и Боша. Большую часть азота связывают бактерии рода Rhizobium в корневых клубеньках.

В связи с заметным обогащением почвы связанным азотом его симбиотическая фиксация давно обратила на себя внимание при разных агротехнических приемах (пар, севооборот), и ее стали сознательно использовать в сельском хозяйстве.

На то, что клевер и другие бобовые растения обогащают почву азотом, впервые указал Буссенго. Установление связи между фиксацией азота и корневыми клубеньками бобовых явилось заслугой Хелльригеля и Вильфарта (1886-1888). Бобовые могут расти в отстутствие связанного азота лишь в том случае, если их корни усеяны клубеньками, которые образуются в результате заражения корневых волосков бактериями из почвы (рис. 13.1).

Корневые клубеньки бобовых растений. Бактерии, вызывающие образование клубеньков у бобовых растений (клубеньковые бактерий), относятся к роду Rhizobium. При свободном существовании в почве эти аэробные грам-отрицательные палочки растут как сапрофиты за счет органических соединений. По специфичности в отношении растения-хозяина, а также по некоторым другим признакам различают несколько видов клубеньковых бактерий (Rhizobium leguminosarum, R. meliloti, R. trifolii, R. phaseoli, R. lupini, R. japonicum и др.).

Рнс. 13.1. Симбиотическая фиксация азота в корневых клубеньках бобовых. А. Корень гороха с клубеньками. Б. Клубеньки в разрезе. В. Растительная клетка, заполненная бактериями (Rhizobium), в разрезе. Г. Бактерии, находящиеся в клетках растения, приобретают необычную форму (бактероиды, инволюционные формы). Д. Внедрение бактерий через кончики корневых волосков и рост инфекционных нитей. Все рисунки сильно схематизированы.

Заражение растения происходит только через молодые корневые волоски (рис. 13.1). Бактерии внедряются на самом конце или около конца волоска и растут в форме инфекционной нити до его основания. Затем такие нити, одетые целлюлозной оболочкой, проникают сквозь тонкие стенки молодых клеток эпидермиса в кору корня. Натолкнувшись здесь на одну из тетраплоидных клеток коры, нить стимулирует деление как самой этой клетки, так и соседних диплоидных клеток. Инфекционные нити разветвляются и распределяются по тетраплоидным клеткам. В результате такого разрастания тканей, вызванного Rhizobium при участии ростового вещества, происходит образование клубеньков. Бактерии в клубеньках размножаются очень быстро и образуют крупные клетки неправильной формы (бактероиды), объем которых может в 10-12 раз превышать объем свободноживущих Rhizobium; бактероиды располагаются по отдельности или группами, окруженные мембраной, в цитоплазме растительных клеток. Ткань, заполненная бактериями, имеет красноватую окраску-она содержит пигмент леггемоглобин, родственный гемоглобину. Молекулярный азот фиксируют только те клубеньки, в которых имеется леггемоглобин; «пустые», не содержащие пигмента клубеньки к фиксации азота не способны. Появление пигмента в ткани совпадает по времени с началом фиксации N₂. При разрушении леггемоглобина с образованием зеленых желчных пигментов (биливердинов) прекращается и связывание азота. Леггемоглобин, по всей вероятности, находится в цитоплазме растительной клетки, а не в пространствах между бактероидами и окружающими их мембранами. Образование пигмента - это специфический результат симбиоза: простетическая группа (протогем) синтезируется бактероидами, а белковый компонент - при участии растения. Леггемоглобин сходен с миоглобином, в клубеньках он представлен в основном Ре(И)-содержащей формой. Этот пигмент обладает высоким сродством к кислороду. Можно предполагать, что леггемоглобин облегчает диффузию кислорода через клетку растения к бактероиду. Благодаря особым свойствам леггемоглобина бактероиды снабжаются кислородом в количестве, достаточном для их роста и для получения энергии, и в то же время не создается слишком высокого парциального давления O₂, неблагоприятного для фиксации азота бактероидами.

Пока еще недостаточно выяснено, что лежит в основе специфичности симбиоза Rhizobium с растением-хозяином. Согласно новой гипотезе, которую сейчас пытаются проверить, уже при первом контакте бактерий с корневым волоском определяется, подходят ли партнеры друг к другу. Бобовые растения содержат лектины - гликопротеины, способные специфически связывать полисахариды. Лектины широко распространены в природе и выполняют, по-видимому, функцию распознавания. Предполагают, что лектины находятся на наружной поверхности корневых волосков; в то же время наружный слой клеточной стенки Rhizobium содержит видоспецифичные полисахаридные цепи. Возможно, что именно взаимодействие лектинов корневого волоска с поверхностными полисахаридами Rhizobium определяет, будет ли волосок инфицирован.

В том случае, если партнеры совместимы, возникает истинный симбиоз между растением и Rhizobium. Растение обеспечивает бактерий питательными веществами (главным образом сахарами) и создает для них оптимальные условия. Когда растение отмирает, в почву попадает больше жизнеспособных бактерий, чем там могло бы расти без симбиотической ассоциации. Фиксация N₂ происходит только в бактероидах, причем около 95% фиксированного азота переходит в виде ионов аммония в цитоплазму растения-хозяина.

Помимо корневых клубеньков встречаются также клубеньки на стеблях, содержащие бактероиды Rhizobium; такие стеблевые клубеньки образуются, например, у влаголюбивого бобового растения центральной Африки Sesbania rostrata.

Маловероятно, что и свободно живущие в почве ризобии способны фиксировать N₂. Лишь у немногих штаммов удалось обнаружить в колониях на агаризованной питательной среде нитрогеназу. Образование нитрогеназы в колониях зависело от парциального давления O₂.

Корневые клубеньки у небобовых растений. У некоторых растений, не относящихся к бобовым, тоже имеются корневые клубеньки, способные фиксировать N₂. Фиксация азота и здесь основана на симбиозе с прокариотами. В случае эндосимбионтов речь идет в большинстве случаев об актиномицетах, принадлежащих к роду Franckia.

Хозяевами актиномицетов-симбионтов могут быть как древесные, так и травянистые растения. Они распространены по всему свету и первыми появляются в местах, где почва бедна азотом. Накопление азота в почве при участии таких растений может достигать 150-300 кг на 1 га в год и имеет поэтому большое хозяйственное значение. К растениям, наиболее эффективно связывающим азот, относятся Casuarina equisetifolia, ольха (Ainus), облепиха (Hippophae) и Ceanothus; менее эффективны в этом отношении восковница (Myrica), куропаточья трава (Dryas), лох (Elaeagnuś) и Shepherdia.

Корневые клубеньки древесных растений могут достигать размеров теннисного мяча. Они представляют собой густые сплетения корней, разветвленных наподобие кораллов и прекративших рост. У казуарины клубеньки состоят из рыхлого пучка утолщенных корней с отрицательно геотропным ростом. Бактерии-симбионты инфицируют только паренхимные клетки в коре корня. Так же как и у бобовых, инфекция проникает в корни из почвы через корневые волоски; в клубеньках тоже образуется леггемоглобин. Лишь недавно у одного из растений, не относящихся к бобовым, - Parasponia parviflora (ильмовые) - был обнаружен в качестве эндосимбионта штамм Rhizobium. Удалось даже перенести этот штамм на бобовые растения. Клубеньки древесных растений активно фиксируют N₂.

Симбиозы с азотфиксирующими цианобактериями. Цианобактерии тоже могут быть фиксирующими азот партнерами в симбиозе с высшими растениями. У водного папоротника Azolla, растущего на поверхности стоячих тропических водоемов, цианобактерии содержатся в полостях листьев. Симбиотический партнер этого растения - Anabaena azollae. В то время как свободкоживущие виды Anabaena содержат лишь немного (5%) гетероцист, в трихомах симбиотических видов 15-20% клеток составляют гетероцисты. Такое соотношение само по себе указывает на активное связывание азота. Измерения активности нитрогеназы подтверждают это предположение. Azolla растет на поверхности затопленных рисовых полей и может при надлежащей агротехнике полностью удовлетворить потребность риса в азоте. Накопление азота в почве в результате симбиоза Anabaena с Azolla составляет около 300 кг/га в год. Сходный симбиоз наблюдается между печеночниками (Blasia pusilla, Anthoceros punctatus, Peltigera) и Nostoc.

У тропического кустарника Gunnera macrophylla симбиотические цианобактерии Nostoc punctiforme находятся в нижней части ствола, а именно в специальных железах в местах отхождения листовых черешков. Этот вид Nostoc тоже образует гетероцисты и нитрогеназу.