Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

АНАЭРОБНЫЕ ДИАЗОТРОФЫ РОДА CLOSTRIDIUM И НИТРОГЕНАЗНАЯ АКТИВНОСТЬ В КОРНЕВОЙ ЗОНЕ РАСТЕНИИ РАЗЛИЧНЫХ ГЕНОТИПОВ

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "АНАЭРОБНЫЕ ДИАЗОТРОФЫ РОДА CLOSTRIDIUM И НИТРОГЕНАЗНАЯ АКТИВНОСТЬ В КОРНЕВОЙ ЗОНЕ РАСТЕНИИ РАЗЛИЧНЫХ ГЕНОТИПОВ"

государственный агропромышленный комитет ссср

. МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи АХМЕДОВ Физули Теймур оглы

УДК 631.461

АНАЭРОБНЫЕ ДИАЗОТРОФЫ РОДА CLOSTRIDIUM И НИТРОГЕНАЗНАЯ АКТИВНОСТЬ В КОРНЕВОЙ ЗОНЕ РАСТЕНИИ РАЗЛИЧНЫХ ГЕНОТИПОВ

Специальность — 03.00.07 — микробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА — 1988

у* у' " ^ Г"

у /

Работа выполнена на кафедре микробиологии Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. ^Тимирязева.

Научный руководитель—доктор биологических наук, профессор В. Т. Емцев.

Официальные оппоненты — доктор биологических наук, профессор Петров-Спиридонов А. Е.; доктор биологических наук, ст. научный сотрудник Летунова С. В.

Ведущее учреждение;—Всесоюзный научно-исследова- ' тельский институт сельскохозяйственной микробиологии ВАСХНИЛ. .

Защита диссертации состоится «22» -чАаЛ-^. 1988 г. в «/Г^ часов на заседании Специалдаиротанното совета К-120.35.01 в .Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева. / .

Адрес: 127550, Москва И-550, ул. Тимирязевская, 49. Сектор защиты диссертаций ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан «20» . . 1988 г.

Ученый секретарь Специализированного совета — кандидат биологических наук

С. М. Саблина.

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблещ.,В Основных направлениях экономического и социального'развития СССР на 1986-1990 гг. и на период до 2000 года, утвержденных ХХУП съездом КПСС, дз качестве важнейшей задачи в области сельского хозяйства намечено дальнейшее увели-:чение производства и повышение качества сельскохозяйственной продукции.: Ее решению должно способствовать широкое развитие исследований по проблемам, связанным с разработкой научных основ повышения плодородия почв и охраны окружающей природы. Известно, что жизнедеятельность почвенных микроорганизмов наиболее активно протекает в корневой зоне (ризосфере) растений, л которую поступают корневые выделения, яЕЛягаиеся'для микроорганизмов как трофическим, так и энергетическим источником (Берестещшй,I982;Po3t gate, 1974; Balandreau, 1986; Dart, 1986). Взаимоотношениярасте ний с ризосферной микрофлорой в большинстве случаев носят характер раздельного симбиотрофизма, так как 0!Ш полезны и растениям и микроорганизмам (Возняковская, 1969).,

Наряду с аэробными микроорганизмами, в составе микрофлоры корневой зоны существенное место занимают и анаэробные микроорга низш (Bennett,Lynch, • 1981). Несмотря на большую роль, которую выполняют■эти'микроорганизмы- в анаэробной зоне биосферы, пх исследованию в-почве и, в/частности, в корневой-зоне растений, уделяется еке. недостаточно внимания: (Dart, 1986)'. Весьма актуаль на рассифровка--такого вопроса, как взаимосвязь количественного и качественного состава анаэробов ризосферы и их- азотфиксируютей 'активности с растениями разных генотипов.. При решении этого.вопроса необходиг.Ю-Претще-всего -учитывать^роль фотосинтеза рззлич-.; (шх растений' в еизнодеятельности микроорганизмов, • розшвэшихсл-.' :н:корнеЕОЙ зоне» - * 1

"<•;.'! рьзьиаи

к",т'ЗГ-..-ul {'1Я".иа ',,tr-n

сель ,йт "Яс tt К. А. 1

• Цель к задачи исследований. Цельо исследований явилосьизучение численности анаэробных бактерий рода С1озЬг1с11ит, их китроге-назной активности в корневой зоне растений различных генотипов, облачающих разной интенсивностью фотосинтеза.

Основные задачи исследований: I,- Изучить динймщу численности различных физиологических подгрупп анаэробных бактерий в корневой зоне сельскохозяйственных раотений.2. Определить нитроге-назную активность ризосферной почвы, накопительных и чистых культур анаэробных бактерий, выделенных из почвы. 3. Выяснить зависимость между интенсивностью фотосинтеза, нитрогеназной активностью, численностью бактерий и содержанием АТФ в корневой зоне растений ; различных генотипов. 4. Изучить способность анаэробных бактерий к колонизации 1сорневой системы разных сортов сельскохозяйственных растений и их нитрогеназную активность в условиях гнотобиотичес-кой культуры растений.

Научная новизна. Проведены исследования анаэробной микрофлоры в ризосфере и ризоплане различных сортов сельскохозяйственных растений, изучен количественный состав сахаролитических и протео-литических анаэробов рода С1ози-1й1ша. Показано, что коаичест-венный и качественный состав анаэробов в корневой зоне растений генетически детерминирован. Впервые дана сравнительная характеристика нитрогеназной активности в корневой зоне различных сортов риса, пшеницу, овса, ячменя, кукурузы и проса. Среда сортов изученных видов раотений обнаружены представители с'высокой актуальной и потенциальной нитрогеназной активностью. Впервые определено содержание АТО в ризосфере различных растений и показана ее связь с нитрогеназной активностью. Математически доказана множественная корреляционная зависимость между интенсивностью фотосинтеза, численностью анаэробных азотфиксаторов, содержанием АТФ и нитрогеназной активностью в корневой зоне различных сортов растений.

■ - 2 - '

Характер указанных взаимозависимых процессов определяется генотипом растения. С помощью сканирующей"электронной микроскопии пока-■ зано микрозональное распределение бактерий да корнях растений при инокуляции в условиях гнотобиотических культур.

Практическая ценность» Результаты работы важны для понимания организации и функционирования генетически детерминированной ассоциации сорт растения - анаэробный азотфиксатор и могут, быть использованы при разработке научно обоснованных подходов по регулированию и интенсификации процесса фиксации.азота небобовыш культурами. Полученные результаты могут быть использованы и для выработки подходов к оценке состояния азотфиксаторов в естественных .ассоциациях растение - микроорганизм при их искусственной инокуляции. • •

л- Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложякы на нвучных конференциях молодых ученых в ТСХА (Мэсква,1985,1986), УП съезде Всесоюзного микробиологического , общества (Алма-Ата,1985), Мз»республиканских научных конференциях (Вильнюс,1986;Баку^1986;Киев,1987), Ш Всесоюзной конференции-''Микроорганизмы в сельском хозяйотве" (МГУ,1986). . " ■ : Публикации. По ■ материалам диссертации опубликовано 7 работ. : ' : Структура диссертации^ ■ Диссертант содержит 228 страниц машинописного текста и состоит из введешш, оба ора литера тупы, описания материалов и-методов, изложения результатов и их обсуждения, выводов, списка- литературы- и 21 приложения. Работа иллюстрирована 28 рисунками,'63 таблицами.. Список.использованной лите-'ратуры включает 314 работ, в том числе 221 зврубежных авторов. ' -Работа выполнена на кафедре микробиологии Мэсковской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени.сельскохозяйственной академии К.А.Тимирязева. ..>.-.

Автор выражает некрепкою благодарность ст.н.сотруднику кафедры микробиологии ТСХА Л.К.Ницэ аа ценные советы и указания при выполнении и подготовке .диссертационной работы. , .

ОБЪЕКТЫ II МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение.роли генотипа растений с различной интенсивностью, фотосинтеза в.развитии и формировании ассоциаций анаэробных . азотфиксирующих бактерий рода С1оз&1<Иш1 и продуктивности не- , симбиотической фиксации азота атмосферы в корневой зоне провода-, ли в.условиях вегетационных опытов,, заложениых на полевой опыт— ной-станции ТСХА в 1984-1986 гг. '

Для закладки опыта с 17 сортами риса использовали карбонатный среднесуглинистый чернозем, отобранный из пахотного слоя (0-20 см) на опытном поле ВНИИРиоа (Краснодарский.край).

Опыты с II сортами ячменя, 9 сортами овса, 5 сортами проса, -14 сортами пшеница И'З сортами кукурузы закладывали на дерново-* подзолистой ореднесуглинистой почве, взятой из слоя 0-20 см на. ХеомоЙ опытной даче ТСХА. • . ;;Л\ ■

Для проведения Микробиологических и биохимических анализов отбирали образцу (ризосферной почвы и ризопяаны) из корневой зоны сельскохозяйственных растений в 5 сроков за вегетационный период^® фазы прорасташя,цуцения,кологошш,цветения и молочной спелости), Образда ризосферной почвы и ризопланы отбирали по методу, описанному Д.Г.Звягинцевым с соавт. (1980).

Насчет количества микроорганизмов в ризоплано проводили на I г -сухих корней, а в ризосфере и почве без растений - на I г аб-£6Иютпо сухой почвы, пользуясь таблицами Мак-Креди.

•Определение численности анаэробных бактерий рода С1оз&г1<иип проводили на ряде питательных сред. Для количественного учета .

сахаролитических анаэробов использовали следующие среди: пептоно-дрожжевую среду с глюкозой для учета- С. pastourianum (Емцев, -1965) и 5^-ный кукурузный затор для учета С. acetobutylicua (0иелянский,1940). Для суммарного учета сахаролитических и про-теояитических анаэробов рода Cloatridi-un применяли среда RCM ,(Sebald et al., 1966). Учет протеолитических анаэробов проводили на среде VL (TakodajFurusaka, 1975). Для идентификации вццелен-ннх чистых культур использовали определитель Берги (1978). •• Й1трогеназную активность почвы, накопительных и чистых культур Clostridium определяли ацетиленовым методом (Kardy ot al., 1968). Актуальную азотфиксацию систеш почва-растснис в вегетационных опытах и стерильных (гнотобиотических) условиях учитывали по методу Болавдро, Доммерга (Balandscau, Doisscrqueo, 1973) и' Умарова (1976).

. ■ Для определения количества АТФ в образцах ризосферной почвы использовали АТФ-зависимую реакцию биолюминесценции светляковоЯ люциферазы. Измерение проводили на автоматическом люминометре фирмы "IKB-tfallac";■'..•■модель 1250 (Turku-Flnland). .

№тенсивность'фотосинтеза различных сортов растений измеряли методом учета количества С02 в токе воздуха, прожздаого мимо листа, который заключен в'специальную камеру. < Шмерения проводили : при помост инфракрасного газоанализатора ГИВ-Ю МБ2 в лаборатории искусственного климата ТСХА.

' ' -, 1Ьучекив:колонизации корней.растений анаэробными диазотрофамл ■и..их татрогенозной активности проводили в условиях гнотобиотических культур. Семена.инокулировали 48-ми часовыми чистыми культу-рагм С. paotauriamra.-', Растения '• пиразина ли в фитотроне с-дновноЯ. / температурой :23-24°С, ночной - 16-Г?°С.- Продолжительность освещения составляла 13-14 часов в сутки,: интенсивность¡- около 20-25 ;: тыс.лк; Растения."'вырастали течение 3040 дней... ■'.•

Для проведения топографических исследований брали образад : корней и фиксировали по методу 1]узевой с соавт. (1978). Готовые препараты просматривали в сканирующем электронном микроскопе BS-300 "Tesla" (ЧССР) с разрешающей способностью 15 нм.

Статистическая обработка данных, полученных в исследованиях.' (расчет коэффициента корреляции, указывающего на направление й , степень сопряженности в изменчивости признаков) проводилась на ЭВМ ЕС-1035. : ■ ' ■''

. . РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

. • I. Изменение численности анаэробных бактерий в корневой зоне различных сортов растений

Микробиологические анализы, проведенные наш, показали, что сохаролитические и протеолитические анаэробы рода Clostridiun . распространены в корневой зоне всех изученных видов ыакробионта . (риса,пшеница.проса,кукурузы,ячменя,овса). Их численность; находится в пределах от сотен (в ризоплане) до тысячи и сотен миллионов клеток на I г корней или почвы (в ризосфере) и колеблется в течении вегетационного периода в зависимости от.сорта'растений и его фотосинтетической активности. При этом наблюдается определенный параллелизм между фотосинтетической интенсивностью растений.и размножением анаэробов, особенно сахоролитических (рис.1). Сахаролитические анаоробы преобладают в ризосфере разных сортов в . перше периода развития растения по сравнению; с протеояитичес-кголи. Численность протоолитических Clostridium возрастает к кон цу вегетации растений.

Наиболее заселенным бактериями оказался сорт Еемчужный, у которого в течешю вегетационного периода численность сахаролк-' тических и протоолитических анаэробов.в ризосфере колебалась соответственно от 26.9-I03 до 50* I06 и от З'Ю4 до .13,6* I06 клеток

'" - б - ■ - Vv.-.'-'- -

э

о : и

■Интенсивность фотосинтеза (ыг СО^даг.час)

о n л о о

Количество кяетск бактерий в тыс. на! г абс.-сухой почвы и корней

на I г абсолютно сухой почвы. К эуой же категории генотипов риса, обусловливающих активное размножение С1ос1:г1<ш», можно отнести и другие сорта: Дубовский 129, ¡¡фзсиодарский 424, Узрос 7-13, Старт, 1В-58, НССИЛ. Невысокая численность анаэробов "обнаружена в ризосфере сортов Узбекский 5, 1Е-42, Горизонт, Сальсккй, Узрос 59, причем эта закономерность заселенности корней разных генотипов риса отмечается во все года наблюдений.

Максимальный .диапазон экстремальных величин (развития) анаэробов в корневой зоне ряяа генотипов риса.наблюдается в периоды . интенсивного роста растений, минимальный в' начале и конце вегетационного периода растений.

Среда изучаемых сортов-шиениш высокая численность анаэробов, особенно сахаролитических, выявлена в ризосфере следующих' сортов: Белорусская 80, Ленинградка, Шсковская 35. Сравнительно низким уровнем размножения сахаролитических .01одегШ.иа характеризуются сорте Безекчукская' 129, Россиянка, Симбирка.; . ; / ■

' Среда сортов овса высокой численностью анаэробов отличались оср$а.!8а»огой Лождь, Борруа, Нзрымский 943, Горизонт, .. . .;. ;

Ячмень характеризуется невысоким содержанием анаэробов в ризосфере всех изучаемых сортов. Кукуруза и просо обильно заселены, анаэробами рода СЯ.озЬгЗ.йЗ.-иав корневой зоне.

Вшьлепнэя нами зависимость между интенсивностью фотосинтеза « чисйонйостбю сахаролитичеоких анаэробов в корневой зоне различ-•янх Фвйетшов подтверждена статистической обработкой. Коэ^фщи-

'ибррйАяшш указывает на тесную связь (К?> 0,7) можау этими двумякцшзнаками. г ; '-"о"

Слученные данные показывают, что генотипы растений отличайся по интенсивности фотосинтеза и, следовательно,.имоют несеи-:наковую потенциальную возможность обеспечить энергетическим ис-г сочником анаэробные дияэотрофы, а это в свою очередь определяет

различия в .киномане развития бактерий в корневой зоне разных генотипов. Таким образом, . дтпшвка развития и плотности анаэробных бактерий в корневой зоне, растений зависит от сорта (генотипа) растения, обладавшего разной фотосинтетической активностью, в результате чего посредством фотосинтатов и опраделяется формирование сообщества бактерий в ризосфере и ризонлане.

. 2. Шгрогеназная активность в корневой зоне различных сортов сельскохозяйственных растения

2.1. Изменения нитрогеназной активности в зависимости от вика и генотипа растений. В связи с обнаружением в корневой зоне различных сортов;сельскохозяйственных растений существенных различий в численности азотфиксирующих анаэробов, представлялось важным исследование нитрогеназной активности изучаемых сортов. , В проведенных нами лабораторных и вегетационных опытах установлено, что диапазон колебаний уровня актуальной нитрогеназной , активности я корневой зоне риса в течение вегетационного периода (по 3 годом наблодений) в.среднем находится в пределах от 34 (сорт Езмчужный) до 19 (сорт IB-42) н^ыолей С^В^ на г/час. . .

' ; Максимальная нитрогеназная активность наблвдаяась в течение 3лет у сортов рлсаЕзмчужныЯ.Дуболский 129иКубаньЗ. Как правило, уровень нитрогеназной активности корневой зоны повышается к фазе максимального веготативного роста растешш, а йатем подпот к кокцу развития рзотешгё. Следует; подчеркнуть, что нит-рогеназнал активность корневой эо'ны риса значительно высе, чем у других растений, обладаюетх С3-фотосзштозом. Ездимо', здесь особую роль играет л избыток влажности рисовых полей, Сяццователыю,' оптимизация влажности почвы может явиться одним jkt доступных, и относительно простых и в то же время эффективных цутей повысс!ШЯ обеспеченности растений биологическим азотом. v .

Уровень нитрогеназной активности в корневой зоне ошегоши ' варьирует в пределах от 8,3 (сорт Безенчукская 129) до 21,3 (сорт Белорусская 80) н.молей С^ г/чао в среднем за вегетацй-, онкый период. ' ' - ■

,'■■'. КЬрневая зона овса характеризуется невысокой нитрогеназной активностью. Так, у девяти изученных сортов размеры озотфиксация колебались в пределах от 8,8 (сорт ГАтркыЙ) до 19,2 (сорт Золотой дождь) н.молей С^Н^ г/чао в среднем за период вегетации. \ Штрогеназная активность в корневой^зоне ячменя колбблэтся в среднем за вегетационный период от 10,2 (сорт Харьковский 6?) ; до 20,7 (сорт Зерноградский 73) н.молей С2Н^ г/час.

Изучение нитрогеназной активности в корневой зоне раотеййЙ с С4 типом фотосинтеза- (кукуруза,просо) ваявале у них более высокий уровень азотфиксвции, чем у С растений (рис«2, 3). Изучалась также потенциальная йитрогеназная активность корневой аоны . 'растений. . ■ ;; ■ - •' •

Сравнивая размер актуальной и потенциальной азотфиксации в корневой зоне разных сортов растений» можно убедиться в том, что -количество фотосиитатов, выделяемых в корневой.зоне, недостаточ-'-■' но для того, чтобы обеапечить оптимальный трофический, субстрат, .:■■'•'.. который способствовал бы реальном^ проявлению продуктивности \ фиковдаа молекулярного азота в почве. Таким образом, трофический ; субстрат является одним из главных факторов, определявших интен-спвнооть процесса фиксации азота атмосфоры в почве и в корневой ;;.* аойа растений. Наблюдаемая разница мевдусортомл, очевидно, является следствием рвзнлвд в количестве и качестве притока фото- \ синтатов в корневую зону в результате колебаний уровня фотосин-тотической активности у растений различных генотийов, ' :

,2.2. Нитрогенззная активность корневой зоны различных сортов растений, характоризуипихоя разной интенсивностью фотосинтеза, у

Наряду с изучением нитрогеназной активности в корневой зоне исследовали и интенсивность.процесса фотосинтеза растений, а также "проведи определения корреляционной зависимости между этими двумя . процессами у различных сортов. •

Как известно, интенсивность фотосинтеза у высших растений варьирует в птроких пределах в рамках одного и того же вада, в частности, в зависимости от сорта растения.

Сорта риса, характеризующиеся наиболее высокой фотосинтетк— ческой активностью (Ненужный, Авангард, Дубовский 129, Пржэныч-ский и др,), обусловливают более высокую нитрогеназкую активнооть В корневой зоне/Низкая фотосинтетическая и нитрогеназная актив- . (100ть свойственны сортам Горизонт, 1В-58 л др, '

Корреляционная зависимость мевду' нитрогеназной активностью и ййтенсявностью фотосинтеза у различных генотипов риса подтверждена статистическими расчетами..Коэффициент корреляции указывает из тесную связь;между натрогеказкой активностью корневой зоны и интенсивностью фсзтосинтеза растений (Й2 > 0,7); * ' . :*

, Аналогичные результаты были получены и у: различных сортов •*.; пшеницы» овсо и ячменя.прпчему всех перечисленных культур : очень' высок коэффициент .' корреляций : между ' интенсивностью фотосин- : теза и нитрогеназной^активностью'в корневой;зоне"этих растений. , Рззультага проведенных исздедовашШ указывают на целес^об-'. 4 разность отбора небобовых растений,с высокой фотосиптотлческой -■.-. огшшноотью/ способных обеспечить, более высокий уровень' процесса фжешет молекулярного'азота свобсанохавугзаа дшзотрофа:.ш в корневой зоне. ." :*

3. Нптрогенозноя активность накопительных культур анаэробов, выделенных из корневой зоны различных сортов растений

В связи с полученными данными о неодинаковой нитрогеназной активности корневой зоны различных сортов небобовых культур . представлялось интересным изучить нитрогеназнув активность накопительных и чистых культур cioatridiuia, Еццеленных из ризосферы и ризопланы растений. В процессе исследований нами было выделено 310 накопительных и 3? чистых культур Cloatridlua из ризосферы и ризопланы различных сортов сельскохозяйственных растений»

Установлено, что уровень нитрогеназной активности накопительных культур определяется сортовой специфичностью растений, ' причеи интенсивность этой активности в ризосфере и ризоплане существенно отличаются друг от друга. " v;'■ ".

Высокой нитрогеназной активностью обладают накопительные культуры ciostridJ.ua, полученные из ризосфер« различных сортов проса. • '•"■" '

Близкую нитроге1шзную активность имели накопительные культуры, выделенные из ризосферы и ризопланы риса. Штрогеназная активность культур из ризосферы в среднем колебалась от 735,2 (сорт IR-42) до 2010 (сорт Дубовский 129) tí. молей С^ на 100 мл среды в час. Как правило, накопительные культуры из ризопланы растения имеют менее высокую нитрогеназную' активность: она колеблется в среднем от 87,8 до 198,4 н.молей Суг^ «а 100 мл среда . в час. Уровень нитрогеназной активности у накопительных культур, ввделенных из корневой зоны овса, невысок. Он существенно отливается от уровня.нитрогеназноЗ активности накопительных культур, Изолированных из корневой зоны проса и риса.

Нами изучалась также нитрогеназная активность чистых культур

= 0,960*0,456

Mío

• 6

w, '■ -Ш 20

A : .

20.УП

a 1

10. УШ

pno.2. Биологическая вктшшость корневой зона различных сортов

риса (А) и проса (Б) и интонсиввость фотосинтеза растешхй. Вегетационный опит 1986 г. Условные обозначения: • о. (-а-) актуальная [итрогеназная активность;

в." (-о-) содержание ЛТО; с. {-*-) интенсивность фото-, 'сиитсза; d. (-о,-) количество-сахаролиткческих диазотро-фов рода Cloatrldiun.

Cloctridiun, выделенных из корневой зоны различных сортов растений риса, овса п проса. У CI.paateuricmua¿ изолированных из • ризосферы овса (сорт Золотой дождь и Черкасский-I), нитрогеназ-ная активность находилась я пределах от 5,7 до 18,7 и от 2,6 до 9,4 н.молей на 100 мл среды в час соответственно. Сле.дует -отметить, что имеется существенная разница между китрогеназной активностью накопительных и чистых культур. Нитрогеназпая актив-.ность чистых культур намного ниже, чем.накопительных. Высокая кнтрогеназнзя активность накопительных культур, по-видимому,, ,. объясняется синергизмом между отдельными компонентами рссодаэцяи ,диазотрофов и в определенной степени .диагенезисом при росте на . . гетерогенном трофическом субстрате... • " : . . ,, >

',••4. Интенсивность фиксации азота атмосферы и содоржание АТФ в ризосфере

< Важным вопросом при.изучении роли генотипа растения в неода» . биотической.'азотфдасащш-является исследование связи между фотосинтетической активностью растений, и: содержанием ATO в ризосфере, о также фиксацией азота атмосферы в корневой зоне, - Проведенными наблюдениями установлено, что в ризосфере разных сортов риса, обладающих высокой фотосинтетической активностью (Еемчужный,Кубань: З.Узрос 59), содержится и наибольшее ко- • личество ATO. Сорта;риса с низкой;фотосинтетической активностью.:. (1В-42,Спальчик) показывают нэимоньсео содержание ATO в ризосфе-. ро. Наблюдается определенный параллелизм между содержанием ATO . и нитрогеназной активностью в ризосфере, особенно в порвио фззы • развития растений (рис. 2-3). Математическая обработка окоперкмеи-талышх данных подтверждает корреляционную зависимость между содержанием АТФ и №1трогеназной активностью в ризосфере, а также . множественную корреляцию.между'интенсивностью фотосинтеза, чнс- ,

-»''14'-"'

I

<а

е &

. ш .

аьсЦ

18.У1

Рцо.З. Биологическая активность корневой зоны различ1шх сортов (В) кукурузы и (Г) riccicma и и'нтонспвносхь-pacreiuifl. Вегетационный опит,1980 г. Условные обозначения: о. (-л.-) актуальная нитрогеиазная активность; в. (-©-) . содержание ATO; с. (-*-) интенсивность;фотосинтеза; 4. (-Ó-) количество сахаролитических дпазотрофов рода Cloutridiun. ; 15' -

ленностыо сахаролитических диазотрофов рода Cloetridiun, содержанием ATO и нитрогеназной активностью в корневой зоне различных • сортов растений. Невысокое содержание ATO в ризосфере изученных сортов псегшцы коррелирует с низкой юттроганазкой активностью. Аналогичная закономерность наблюдалась в ризосфере равных сортов и у других: видов растений (овес, ячмень, "кукуруза, просо). . Иа основании полученных данных, можно, по-видимому, считать, ; что содержание АТФ в ризосфере растений является показателем ■ адекватности условий для осуществления здесь продуктивного процесса несиыбиотнческой фиксации азота атмосферы.

; 5. Способность анаэробных бактерий к колонизации корневой системы разных сортов растений в условиях гнотобиотических культур. • .Топография бактерий рода- Clostridium на корнях ряда сортов риса и паонида _ '

1Ьучениё взаимоотношений магяу микроорганизмами и растениями в зоне;ризосферы дает возможность получить представление об организмах, встречающихся в этой' зоне, их вааимодействии, a tarace найти предпосылки для регулирования их состава и жизнедеятель- ;

ностл. , - ' "" ; , 1 - . - .

\ Результаты наблюдений свидетельствуйт е том, что заселение корнеЯ ростопай аиазробнтя бактериями рода ciostrioiun носат i четкий мпкрозоналышй характер. Нзрдду с участками, полностью ; лишенными микробных клеток, можно найти зоны,'заселенные как : одшочшли клетками, расположенными ка некоторой расстоянии друг от друга, ток и иикроколониями. Активно раотусэя зона корневого чехяика полностью явлена микроорганизмов.

- Ш корнях Ä-дневпых растений микроорганизмы либо но обнаруживались совсем, либо встречались крайне редко.; В дальнейшем по.

мере роста растения и корня происходило расселение микробов с семени на корень. Нз корнях 10-дневных растений клостридии собираются в микроколонии -(первый'тип колошиации) или расположены поодиночке (второй тип колонизации) на некотором расстоянии друг от друга. №осроколонш! и отделите клетки могут располагаться как в глубоких складках поверхности корня, так и на выступах ; корней. ';-" ' :'■'

- Первый тип колонизации характерен для сортов с высокой фотосинтетической интенсивностью растений и. высокой нитрогеназной активностью в корневой зоне (сорт риса 'Вэмчукный а сорт псегащы ■Белорусская 80); второй тип характерен для сортов с низкой фотосинтетической активностью растений, и низкой нитрого1шзной активностью в корневой зоне (сорта риса Сальский, 1К-42 и сорт пп:е!и-цц Цутулукская). .''..'

• Корни•30-дневных растений довольно густо заселены диазотро-фами рода С1. раоьеиг1опип. Евзшща в степени колонизация поверхности корней разных сортов риса и [тсешод сохраняется и нз бо~ . лее поздних стадиях вегетации растешШ. Дальнейшие исследования топографии свободноживудах даазотрофов на поверхности корня (ри-зогошна) имеет"значение, для разработки методов управлеюш взаимоотношениями ризоценозов, как одного из главных вопросов биотехнологии почвы. ,' .. , ..

; 6. Кцтрогоназнэя активность корневой зоны различных ; - сортов риса и паеница в условиях гнотобиотических культур растений при инокуляции чистыми культурами ' . С1. разЪоихАапил

- В нартояяее время большое значение в доле повшюшш эффективности носимбиотичоской озотф-пксации придается способности свободноживушк диазотрофов к коло1шзации корней растстШ. Баб-лвденкя показали, что нитрогенэзная активность корневой зоны

- 17 -

растений в условиях гнотобиотических культур1отсутствовала (во ' всех вариантах) на пятые сутки опыта. На 10-е сутки исследования • нитрогеназная активность корневой зоны наблюдалась только у сортов растений, характеризующихся бысокой фотосинтетической активностью.. В дальнейшем, через 20 и 30 суток пооле инокуляции, нит-рогенаэная активность обнаружена и у сортов с невысокой интен- : сивностью фотосинтеза.Наблюдалась довольно существенная разница в активности нитрогеназы в корневой зоне разных сортов как рисе,, так и пщеницн.

. Электронно-микроскопические исследования, проведенные с по- . мощью сканирующего электронного микроскопа, показали, что сорта растений, хэрэктеризуюшеся высокой фотосинтетической активностью (йг?.тчужный, Кубань, Белорусская 80), обладают способностью к интенсивной колонизации корней и, наоборот, сорта растений с низ-.. ■: ким фотосинтезом (Сальский,, 1К-42) характеризуются слабой коло- , газацией корней. Разница в колонизации корневой системы растений разных сортов определяет :'и разный уровень нитрогеназной активности п их корневой зоне.. Это заставляет предположить, что генотип растения опредепяюще воздействует'на процесс колонизации. Если • • это так, то:это взаимодействие должно быть.генетически запрог—. * ■ ранжировано и может приводить к доминированию определенного' • • .■;!'■■ штпип микроорганизма в ризоплане растений. . ■': Выявленная связь. ?.:ежцу степенью.колонизации корней растений . :озотфлксаторами и -нитрогеназной активностью корневой системы , имеет важное значение при'подборе иташов-мтсроорганизмов для • •производства эффективш« бзктерпалышх препаратов.

' ■■ ; В и В О Д Ы

••.•••• X;Шучепи.анаэроба-рода• С1оо£г1й1и»ризосферы и-.ризопланы . различных сортов сельскохозяйственных.растений. Указанная группа ' 4 " . - 18 - ,

микроорганизмов обнаружена в корневой зоне всех исследованных 59 сортов небобовых растений (рис,паепица,овес,ячмень,кукуруза, просо). Показано, что количественный и качественный состав анаэробов в корневой зоне определенных сортов растений генетически детерминирован. Отмечено влияние сезона гона на доминирование различных физиологических по.цгрупп (сахаролитической и протеоли-

тической) анаэроб1шх бактерий рода Closti-idlun в ризосфере и ризоплане различных растений.

"2.1 Впервые дана сравнительная характеристика нитрогеназной активности в корневой зоне, различных сортов риса, пеоницы, овса, ■ячменя, кукурузы и проса. Шявлено, что уровень нитрогеназной активности в корневой зоне того или иного сорта определяется генотипом данного растения. Среди сортов изученных видов растений обнаружены представители с высокой актуальной и потенциаль-. ной нитрогеназной активностью. Показано, что нитрогеназная активность в.корневой зоне кукурузы и проса (растения с С^-фото-синтезом) существенно выше,,чем в корневой зоне пшеницы, овса и ячменя (растения с С3—фотосинтезом). :

3. Установлена прямая зависимость между интенсивностью фотосинтеза определенного сорта растения и 1г.1трогенэзиой активностью в его, корневой зоне. Выявленная зависимость проявляется в течение всего периода роста, но особенно в фазу максимального вегетативного роста растешт. Обнаружены сусественпые отличия в нит-рогегазной активности накопительных и чистых культур анаэробов, вцделешшх из корневой зоны различных сортов риса, овса и проса.

■4. Определено содержание ATO в ризосфере различных сортов сельскохозяйственных культур. Установлено, что п ризосфере сортов растештй, обладающее высокой фотосинтетической активностью (особенно сортов риса .и pacTeiniîi с С^-фотосинтсзом), содержится и наибольшее количество АК>, в то время как сорта с [шзкой фото-

синтетической активностью имеют наименьЕее содержание ATO в ри- ■ зосферс. Выявлен определенный параллелизм между содержанием АТФ , и нитрогеназной активностью в ризосфере, особенно проявляющийся ¡ в перззые'фазы вегетации растений.

" '5.■Штематически доказана множественная корреляционная-зависимость метяу интенсивностью фотосинтеза, численностью анаороб-них азотфиксаторов, соцержанием.-АТФ и нитрогеназной активностью í . в корневой зоне растений определенных сортов. ■':■ ■■

; 6. В условиях гнотобиотических культур растений,• при инокуляции их'анаэробными бактериями (Cl.paateurianun), ■ показана корреляция между степенью колонизации этими бактериями корней определенных; сортов растений и уровнем нитрогеназной активности в -корневой зоне. Характер указанных взаимозависимых процессов ."■'• определяется генотипом растения.

. 7. Изученз топография анаороб1шх азотфиксаторов на корнях : , ряда сортов риса и ппеницы в условиях гнотобиотических культур :: растений. Установлено,, что заселение корней бактерия:.« носит - . ^ . кикрозональный характер. При этом отмечено два типа мнкрозо-нальной колонизации:;I) в вцде микроколошпЧ, 2) в виде одиночных клоток. Первый тин колонизации характерен для сортов с высокой интенсивностью фотосинтеза.н.соответственно - высокой нитроге-\\ назной активностью, второй;- для сортов с низкой интенсивностью: фотосинтеза и шшкой шщюгеназ ной активностью в корневой зона:'-растений. *

-8. Выявлегшая корреляционная зависимостьлитрогеназной активности корневой зо1щ от интенсивности-фотосинтеза определен- -ного генотипа растения указывает на целесообразность отбора ' сортов небобовых растений с высокой,-фотосингетпческой активно-.^ -стью, способных обеспечить более высокий уровень: несимбиотпчес-'Кой азотфиксации в почве. * \ * * ' » •

• 20 -

Список опубликованных работ по теме .диссертации:

1. Ахмедов Ф. Т.: Ассоциативная азотфикцация затопляемых почв // . Материалы УП съезда ВЮ, Алма-Ата, - 1985. - T.6.-C.II.

2. Игнатова И.Ю., Брук M. X., Ахмедов Ф.Т. Влияние минеральных и ; органических удобрений на ассоциативную азотфиксацию некоторых с.-х.растений // В сб.: Микроорганизмы, их роль в плодородии почеы и охране окружающей среда. - П., 1985. -С.55-59.

3. : Ахмедов Ф.Т., Емцев В. Т., ШцэЛ.К. Продуктивность биологической фикс.ации азота в корневой зоне в зависимости от сорта

: . растений // Материалы конф. "Ц/ти повышёния эффект.факторов интенсификации с.-х. произв." 11-12 июля, 1986. - Вильнюс.

' 1986. - С. 39-40.

4. Ахмедов Ф.Т., Ницэ Л.К. Продуктивность биологической фиксации азота у различных сортов с.-х. растений // Тез.докл. О

. Всес.науч.конф. "Микроорганизмы в сельском хозяйстпе", 23-25 / декабря, 1986 г. - М. : МГУ, 1986. - С. 93-94.

5. Ахмедов Ф.Т. Несимбиотическая фиксация азота в корневой зоне / различных сортов риса // В сб.: Растительность и пути регуля-

:г' ~ции ее жизнедеятельности. Баку, 1986.; - С.53-54. ^.Ахмедов „Ф.Т. Несимбиотическая фиксация азота в корневой зоне различных сортов небобовых растений // Рукопись деп. по ВШИТЭИ агропром, 31,10.86 г., Москов.обл., акад. им.К.А.Тимирязева.- Госагропром СССР. J« 445/47 ВС-86. Деп.Тр.науч.конф. : молод.ученых .3-5 июня 1986. - С. 414-424. 7. Сиксация азота атмосферы в ризосфере-различ!шх сортов с.-х. растений / Ахмедов Ф.Т,, Шцэ Л.К., Годова Г.В., Мэлков Ю.А. // В сб.: Симбиотрофные азотфиксаторы и их использование в сельском хозяйстве. Тез.докл.республ.конф,(Чернигов, 13-15 . октября, 1987 Г.). -Киев, 1987. -С.63-64.

Л-37587 12/1-88 г. Объем 1 п. л. " Зак. 73. Тир. 100

. Типография Московской с.-х. академия им. К. А. Тимирязева . 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44