Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

АССОЦИАЦИИ АНАЭРОБНЫХ БАКТЕРИЙ РОДА CLOSTRIDIUM В КОРНЕВОЙ ЗОНЕ РАСТЕНИЙ И ИХ АЗОТФИКСИРУЮЩАЯ АКТИВНОСТЬ

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "АССОЦИАЦИИ АНАЭРОБНЫХ БАКТЕРИЙ РОДА CLOSTRIDIUM В КОРНЕВОЙ ЗОНЕ РАСТЕНИЙ И ИХ АЗОТФИКСИРУЮЩАЯ АКТИВНОСТЬ"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

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

На правах рукописи УДК 631.468:631.847.21 : 541.144.7 ГОДОВА Галина Владимировна

АССОЦИАЦИИ АНАЭРОБНЫХ БАКТЕРИЙ РОДА CLOSTRIDIUM В КОРНЕВОЙ ЗОНЕ РАСТЕНИЙ И ИХ АЗОТФИКСИРУЮ1ЦАЯ АКТИВНОСТЬ

{Специальность 03.00.07. — Микробиология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА — 1983

,(А 1.1 к. сл (Л*

Работа выполнена на кафедре микробиологии Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К- А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор биологических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР В. Т. Емцев.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Д. Г. Звягинцев, доктор биологических наук, профессор А. Е. Петров-Спиридонов.

Ведущее предприятие — Всесоюзный научно-исследовательский институт прикладной молекулярной биологии и генетики ВАСХНИЛ.

в « .'¡Я » час. на заседании Специализированного совета К. 120.35.0К в Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

127550, Москва, И-550, ул. Тимирязевская, 49, Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА. Автореферат разослан « М. » . 4 . . 1983 г.

Защита диссертации состоится «Я* »

1983 г.

Ученый секретарь Специализированного совета — доцент

Гончарова

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ключевой проблемой сельского хозяйства в-свете требований «Основных направлений экономического н социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года» и Продовольственной программы, принятой майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС, является резкое увеличение производства сельскохозяйственной продукции преимущественно за счет повышения плодородия почв. Успешное решение этой задачи может быть осуществлено только при Всестороннем и глубоком понимании микробиологических процессов, совершающихся в почве и корневой зоне растений; Познание жизни в почве, изучение протекающих в ней биологических и биохимических процессов неразрывно связаны с дознанием живых организмов, населяющих почву. ■

В -.поддержании и повышении плодородия почвы лежат биохимические механизмы трансформации веществ и энергии, в которых участвуют разнообразные представители почвенных микроорганизмов. Размножение почвенных микроорганизмов и биохимические процессы, вызванные ими, энергично протекают в корневой зоне (ризосфере) растений, зоне, которая содержит экссудаты корней, являющиеся для них трофическим и энергетическим, источником (Красильников, 1958; Доросин-ский, Крупина, 1960; Иванов, 1973; Берестецкнй, 1982; Rovira, 1965, 1969; Postgate, 1974; Dobereiner, 1978).

Развивающиеся в корневой зоне растений микроорганизмы своими продуктами метаболизма оказывают существенное влияние на урожайность растений. Взаимоотношения растений с ризосферной микрофлорой носят-чаще характер раздельного симбнотрофизма, т. е. они обоюдно полезны и растениям и микроорганизмам (Возняковская, 1969).

Основное внимание в изучении микрофлоры корневой зоны было уделено аэробным .микроорганизмам (Возняковская, Жильцова, 1959; Образцова с соавт., 1961; Фильченкова, Самосова, 1971; Kaunat, 1963; Bowen, 1980; Bennett, Lynch, 1981).

В составе микрофлоры корневой зоны большую роль играют анаэробные микроорганизмы. Однако, несмотря на

ЦЕНТРАЛЬ' 'АЯ НАУЧНАЯ Ь tiJi -ОТГ-1 Моск. сел-счсхси, а«? ' ■ »

важную роль, которую выполняют эти микроорганизмы в aiiä-эробной зоне биосферы, их изучению в почве и, в частности, в корневой зоне растений, уделялось крайне мало внимания (Katznelson, 1946; Rovira, 1965; Skinner, 1968).

Среди облигатных анаэробов почвы существенное место занимают спорообразующие бактерии рода Clostridium. Они активно участвуют в трансформации различных минеральных и органических соединении, фиксируют молекулярный азот атмосферы и т. п. (Емцев, 1961; Мншустин, Емцев, 1974; Соболева с соавт., 1977; Горова, 1979; Smith, 1975).

В ходе вещественно-энергетических превращений в корневой зоне растений и в экосистеме в целом анаэробы рода Clostridium играют важную биологическую роль в росте и продуктивности растении, которая, однако, крайне недостаточно изучена и поэтому четко не сформулирована. Совершенно не освещены в литературе вопросы взаимосвязи анаэробов и различных особенностей высших растений, таких, как нх фотосинтетическая активность. Вследствие этого остается нерешенным ряд вопросов формирования, функционирования н раз* множен и я анаэробных ассоциаций в конкретных экосистемах. Это одна из основных причин отсутствия теоретической концепции, дающей ключ к регулированию и управлению биологической активностью и через нее плодородием почвы.

Таким образом, большой теоретический интерес, практическое значение и слабая изученность анаэробов, главным образом, Clostridium в корневой зоне растений предопределили основные задачи наших исследований.

Цель и задачи исследований. Целью исследования было изучение ассоциаций анаэробных бактерий рода Clostridium и азотфнкснрующей активности в корневой зоне растений, обладающих различными типами фотосинтеза.

Для выполнения работы были поставлены следующие задачи; 1. Разработка методов учета и выделения ассоциаций анаэробных бактерий рода Clostridium в корневой зоне растений. 2. Изучение динамики численности сахаролитнческнх и протеолитических анаэробных бактерий в корневой' зоне растений и определение их таксономического состава. 3. Исследование связи между интенсивностью фотосинтеза кукурузы (С4) н овса (С3) и нитрогеназной активностью в их корневых зонах. 4. Изучение топографии анаэробных бактерий в ризо-плане с помощью сканирующей микроскопии.

Научная новизна. В работе впервые получены количественные данные о наличии сахаролитнческнх и протеолитических анаэробов рода Clostridium в ризосфере и рнзоплане сельскохозяйственных культур — кукурузы и овса. Впервые изучена связь между численностью анаэробных бактерий рода ■Clostridium, интенсивностью фотосинтеза кукурузы и овса и (к

Яптрогеназной активностью в корневой зоне растений в течение вегетационного периода и суток. Установлено, что азот-фнксирующая активность бактерий рода Clostridium также связана с интенсивностью фотосинтеза.

Практическая ценность. Результаты исследований могут быть использованы для разработки практических рекомендаций по усилению биологической фиксации азота атмосферы некоторых сельскохозяйственных культур за счет повышения интенсивности их фотосинтеза.

Кроме того, результаты методических разработок, осуществленных при выполнении диссертационной работы, могут быть использованы в лабораториях микробиологии научно-исследовательских институтов сельского хозяйства, сельскохозяйственных вузов н биологических факультетов университетов.

Апробация работы. Основные разделы работы были доложены на научной конференции ТСХА (июнь, 1982 г.), на Всесоюзном симпозиуме «Микроорганизмы как компонент биогеоценоза» (Алма-Ата, 27—29 сентября, 1982 г.), на VII Всесоюзном Ваковском коллоквиуме по азотфнксацин {Тбилиси, май 1983 г.), на Международном симпозиуме по азот-фиксации в Нидерландах 28 августа—3 сентября 1983 г.

Публикация результатов работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 2 статьи. В печати находится две статьи.

Структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 171 странице машинописного текста и состоит из введения, 5 глав и общих выводов. Иллюстративный материал имеет 18 таблиц и 27 рисунков. Библиография содержит 275 наименований работ, в том числе 145 работ зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Литературный обзор. Рассмотрены современные представления о ризосфере, деятельности в этой зоне анаэробных бактерий рода Clostridium (Емцев, 1958, 1961, 1971; Дебривная, 1970; Мишустин, Емцев, 1974; Калининская, Редъкнна, 1981; Rice et al„ 1967; Hauke-Pacewiczowa et al., 1970), неснмбно-тической фиксации азота в корневой зоне-растений и связи ее с фотосинтетической активностью растений (Мишустин, Шпль-никова, 1968; Мошкова, 1980; Покровский, 1980; Döbereiner, Day, 1975; Balandreau et al., 1977; van Berkum, Bohlool, 1980).

Объекты и методы исследования. Исследование развития ассоциаций анаэробных бактерий рода Clostridium, несимбио-тнческой фиксации азота атмосферы в корневой зоне кукурузы сорта Краснодарский 334 BJI и овса сорта Льговский 1026, а также изучение роли фотосинтеза растений в данных про-

дессах проводилось u условиях вегетационных опытов, заложенных на Полевой станции ТСХЛ в 1980—1982 гг.

Опыты ставили в полиэтиленовых сосудах, вмещающих 5 кг дерново-подзолистой почвы с опытного поля ТСХЛ. Питательные элементы—азот, фосфор н калин—были даны в форме NHt(N03), Са(И2Р04)2, KNOs по 0,5 г действующего вещества на сосуд. Известь вносилась по полной гидролитической кислотности. Влажность почвы поддерживалась на уровне 65—70% от полной влагоемкостн почвы.

Образцы ризосферной почвы и рнзопланы отбирали по методу, описанному Д. Г. Звягинцевым с соавг. (1980).

Расчет количества микроорганизмов в рнзоилане проводили на 1 г корней, а в ризосфере и почве без растений — на 1 г абсолютно сухой почвы, пользуясь таблицами Мак-Кредн.

Определение численности анаэробных бактерий рода Clostridium проводили на ряде питательных сред.

Для количественного учета азотфикснрующих сахаролитн-ческих анаэробов использовали среды, предложенные В. Т, Емневым (1962), Р. Хамманн и Дж. Оттоу (Hammann, Ottow, 1976) и среду Р. Хамманн и Дж. Оттоу в нашей модификации.

Протеолнтнческне анаэробы учитывали на модифицированной нами среде, предложенной К. Такеда и С. Фурусака (Takeda, Furusaka, 1975). Использовались также среда, предложенная К. Хмура с соавт. (Hiura et al., 1976) и модифицированная нами среда по Д. В. Гудкову (1966).

Выделение чистых культур проводили в анаэростате с использованием следующих сред: для выделения азотфикснрующих сахаролитнческих клострндий — среды, предложенные В. Т. Емцевым (1962, 1965); выделение протеолитичо-ских анаэробов проводили на модифицированной нами среде К. Такеда и С. Фурусака (Takeda, Furusaka, 1979) и среде, предложенной Р. Анема (Anema et al., 1973). Чистоту полученных в итоге культур проверяли на МПА.

Идентификацию чистых культур клострндий проводили по Берге (Bergey, 1974).

Азотфиксируютую активность почвенно-рпзосферного образца, накопительных н чистых культур анаэробов определяли ацетиленовым методом (Hardy et al., 1968).

Актуальная азотфикеацпя системы почва — растение определялась по .методу Баламдро и Доммерга (Balandreau, Dom-merques, 1973) и Умарова (1976), Азотфиксирующая активность накопительных и чистых культур изучалась на среде Ви-ноградского (1952) в наших модификациях.

Измерение фотосинтеза растений в течение вегетационного периода проводилось в лаборатории искусственного климата ТСХА методом учета количества С02 в токе воздуха, про-

шедшего мимо листа, заключенного в специальную камеру, при помощи инфракрасного газоанализатора ГИП-10 МБ2.

Определение фотосннтетнческон активности растений, интенсивности азотфиксации, количественный учет клострпдий проводили одновременно 4—6 раз за вегетационный период, причем фотосинтез растений и актуальная азотфиксации измерялись в течение суток в 6—00, 12—00, 18—00 н 24—00 час.

В 1982 году был поставлен вегетационный опыт с теми же растениями по изучению влияния интенсивности освещения на фотосинтез растений, азотфнксацию н численность анаэробов в их корневых зонах при 100%, 70% и 40% освещенности.

Распространение бактерий рода Clostridium в рнзоплане растений изучали в модельном стерильном опыте при помощи метода песчаных культур.

Растения выращивали в фитотроне с дневной температурой 23—24°С, ночной— 16—17° С, продолжительность освещения 13—14 часов в сутки, интенсивность освещения — 25— 30 тыс. л к. Продолжительность выращивания растений составляла 3 и 10 суток после появления ростков.

Фиксацию корней проводили по методу Гузевой (1978) и Гузева с соавт, (1979) и просматривали в сканирующем электронном микроскопе JSM-2 фирмы «Джеол» (Япония).

Статистическая обработка данных проводилась путем расчета коэффициента корреляции, указывающего на направление и степень сопряженности в изменчивости признаков и коэффициента детерминации, показывающего долю (%) тех изменений, которые в данном явлении зависят от изучаемого фактора.

Изучение динамики численности анаэробных бактерии в корневой зоне растений. Исследованиями установлено, что в течение вегетационного периода численность анаэробных кло-стриднй в корневой зоне растений не остается постоянной, она зависит от условий окружающей среды, возраста и фотосинтетической активности растений, которая в разные годы исследований изменялась в зависимости от метеорологических условий вегетационного периода.

Так, в 1980 году прохладное дождливое лето (средняя освещенность достигла лишь 15—18 тыс, лк, средняя температура — около • +17° С) обусловило невысокую фотосннтетиче-скую активность кукурузы, она была ннже, чем у овса: максимум 20 и 26 мг С02/дм2 листа и час соответственно. Кривые фотосинтеза в 1980 году представляют собой одновершинные кривые с максимумом примерно в середине вегетационного периода,

В 1981 году с очень жарким и сухим летом (освещенность до 45—50 тыс. л к, дневные температуры достигали 32—33° С) наблюдался иной ход фотосинтеза у растений по сравнению с

1980 г. Максимальная активность фотосинтеза зафиксирована и начале вегетации у 10-дневных растений: у овса — 28 мг СОг/дм3 листа в час, у кукурузы — 52 мг СО:/дм2 листа в'час. Действие высоких дневных температур привело к резкому снижению фотосиитетинеской активности растений в конце июля, особенно у овса, адаптированного к прохладному влажному климату. Затем в августе с ослаблением жары наблюдалось небольшое усиление фотосинтеза растений.

Численность анаэробов Clostridium в ризосфере растений была гораздо выше в 1980 г., чем в 1981 г., несмотря на более интенсивный фотосинтез кукурузы как Ct-растения и менее интенсивную фотосннтетическую активность овса как Сз-растении в 1981 г. Максимум са.харолнтнческнх азотфнксаторов в 1980 г. достигал 308,6 млн. н 301,2 млн. клеток в ризосфере кукурузы и овса (соответственно),

В 1981 г. максимальное количество азотфнксирующих анаэробов в ризосфере кукурузы равнялось 1,2 млн. клеток, в ризосфере овса — 204 тыс. клеток. Наибольшая численность про-теолитическнх анаэробов достигла в 1980 г. 2976IJ0 млн. н 13,4 млн. клеток в ризосфере кукурузы и овса (соответственно), а в 1981 г. — 2,2 млн. клеток в ризосфере кукурузы и 902 тыс. клеток в ризосфере овса.

Однако динамика развития анаэробных бактерий в ризосфере связана с ходом фогоспнтетической активности растении в течение вегетационного периода, причем более тесная связь наблюдается между динамикой протеолнтическнх Clostridium н фотосинтезом кукурузы и овса.

При исследовании ризопланы растений (1981 г.) выявлено, что анаэробы на корнях кукурузы н овса развиваются гораздо слабее, чем в ризосфере, но динамика численности анаэробов в ризоплане сходна с динамикой развития клострндин в ризосфере растений,

В почве без растении анаэробов было намного меньше, чем в ризосфере, что несомненно связано с экссудатнвной способностью корней растении. Установлено, что количество клострн-днй в почве без растений было выше в 1980 г,, чем в 1981 г., вследствие изменения температуры окружающей среды, являющейся важным фактором, определяющим развитие анаэробов Clostridium в почве,

В 1982 году был поставлен вегетационный опыт по изучению влияния различной освещенности на фотосинтетнческую активность Cj- и С<-растеннй овса и кукурузы и чнслеиность анаэробной микрофлоры в их корневых зонах.

В первый срок измерений фотосинтеза 10-дневных растений наблюдался довольно высокий фотосинтез всех исследовавшихся вариантов. У кукурузы при 100% освещенности фото-еинтетнческоя активность достигала в этот срок 46,8 мг 6

PUQ. Z. мзмеяеиме UUT?HCUbHOCTU ФОТОСиНТШиКШФиКОМШи еРЦЗОС-

ъъп KYKVPV3W uORûfc ьттиие суток (адгтдионимй ontrr 1981^26/5)

'Усмбоэи:. и-нктенсишстЬ фотосиитш кукурузы и оъсц^-тпик&мдо ьтодет кчкшзм и mu (соотшотмнно)

Рмс.1. USM&H9HUt цщ^иьиьиости ФОТбСиНПЙЛ 9WTÍHUM и мотсикомиш

в тоспм1 |щчшы и oftù а ттнме мгшционното пс»иодк (fttWKVWHHtttt ОПЫТ 13Ьto Усд.обозн; М-инт*нт«ость Фотосинтез* ntVKTíovairt и рай; ЗЧ-лзтикскциа ь

COi/дм1 листа в час, у овса — 35,3 мг СОг/дм2 листа в час. Снижение освещенности кукурузы на 30% сильно сказалось на ее активности — 30,1 мг СОг/дм2 в час, а при 40% освещенности— 24,9 мг СОг/дм2 в час. У овса при снижении освещенности соответственно — 30,2 и 26,3 мг С02/дм2 в час. Таким образом, уменьшение освещенности сокращает . интенсивность фотосинтеза растений.

Данные по динамике численности анаэробных бактерий рода Clostridium в корневой зоне кукурузы и овса, выращивавшихся при различной освещенности, еще раз показали, что фотосинтетнческая активность оказывает большое влияние на развитие анаэробов. В корневой зоне растений при 100% освещенности наблюдалась самая высокая численность клострн-днй как в ризосфере, так и в рнзоплаие. При 70% освещенности — несколько меньше, и самая низкая численность анаэробов наблюдалась при 40% освещенности растений.

Расчеты коэффициента корреляции (г) и коэффициента детерминации (dyK) между интенсивностью фотосинтеза при различной освещенности кукурузы и овса и численностью анаэробов в корневой зоне растений подтверждают наличие тесной связи между ними. Так, например, при 100%-ном освещении кукурузы коэффициент корреляции между ее фотосинтезом н динамикой численности азотфнксатороп п ризосфере равен 0,933, коэффициент детерминации dy* = 87,0%. При 100% освещенности овса г = 0,709, (1у1 = 50,3%; при 70% освещенности кукурузы г = 0,976, (ij.,t = 95,2%; при 70% освещенности овса г=0,997, (1ух =88,5%; при 40% освещенности кукурузы г = 0,829, tiJX = 08,7% ; при 40% освещенности овса г = 0,997, dyjt = 99,4%.

Значит, снижение освещенности овса на 60% не влияет на тесноту связи между его фотосинтезом и развитием анаэробных азотфнксатороп в ризосфере, а при таком же снижении освещенности кукурузы динамика численности сахаролнтнче-ских клостридий лишь на 68,7% обусловлена влиянием фотосинтеза.

Таким образом, освещенность растений, количество падающей на растение солнечной энергии определяют интенсивность фотосинтетнческой активности растений, обладающих как Сч, так и С путем фиксации СОг, которая, в свою очередь, влияет на количество микробов, в частности, анаэробов рода Clostridium в корневой зоне растений. При прочих равных условиях световая переменная — важный фактор формирования ризосферной и ризопланопой микрофлоры.

Выделение чистых культур и идентификация. Выделение чистых культур проводили из накопительных путем их насте-

рнзацпн с последующим чередованием посевов на жидких и твердых питательных средах (Мишустин, Емцев, 1974),

Идентификация выделенных чистых культур Clostridium проводилась на основании их морфологических, культураль-ных и физиологических признаков (Bergey, 1974).

Обнаружено, что по видовому разнообразию анаэробов Clostridium корневые зоны кукурузы н овса существенно не различаются. Однако в течение вегетационного периода наблюдалась определенная смена видового состава анаэробной микрофлоры.

Всего идентифицировано 12 сахаролитнческнх и 8 протео-лптнческнх видов Clostridium. Из них наиболее распространенными оказались CI. pasteurianum и CI. sporogenes. Эти два вида анаэробов обнаруживались во всех анализированных образцах: в ризосфере и рпзоплане кукурузы и овса, а также в почве без растений.

Видовой состав анаэробных Clostridium в почве без растений менее разнообразен. В середине и конце вегетации мы наблюдали в свободной ог корней почве CI. fallax, не обнаруженный нами в корневой зоне растений.

Актуальная азотфиксация в корневой зоне кукурузы и овса. Исследованиями установлено, что азотфиксация в корневой зоне кукурузы и овса свободноживушнмн микроорганизмами в значительной мере связана с фотосинтетнческой актив1 ностью растений, а величины интенсивности изменяются в зависимости ог условий освещения, температуры, вида и возраста растений. Так, в начале вегетационного периода 1980 г. в ризосфере обоих растений наблюдалась довольно низкая ннтрогеназиая активность. К середине вегетационного периода азотфиксация в ризосфере достигла максимума; у овса — 7,8 н молей С2И4/Г почвы в час, у кукурузы — 6,8 н молей С2Н4/Г почвы в час.

Как указывалось выше, в исследованиях были использованы растения, обладающие заведомо различной интенсивностью фотосинтеза: С^растення, вследствие своей способности «концентрировать» COj в клетках обкладок, тесно примыкающих к окончаниям проводящих пучков, имеют более высокую интенсивность фотосинтеза по сравнению с Сз-вндамн в обычных для Cj-вндов условиях: жарком тропическом климате.

Однако при изменении условий среды С«-растеннн могут терять свое преимущество и сравнении с Сз-вндамн, адаптированными к прохладному умеренному климату.

В условиях 1980 г. с холодным летом, обилием осадков и низкой освещенностью интенсивность фотосинтеза кукурузы оказалась меньше, чем у овса. Соответственно н азотфиксация в корневой зоне овса была выше, чем у кукурузы, В почве без растений азотфиксация крайне низка и колеблется от 0,4 до ö

1,1 н молей С2Н4/г почвы в час. Таким образом, в 1980 г. общая картина фотосинтеза и азотфмксапшг за вегетацию представляет собой одновершннную кривую с максимумом примерно в середине вегетационного периода.

По метеорологическим условиям, вегетационный период 1981 г. значительно отличался от 1980 г. (дневные температуры достигали 32—33° С, освещенность — до 50 тыс. лк). В начале вегетации овес н кукуруза сразу достигли максимальных значений фотосинтеза (рис. I): у овса — 28 мг СО;/дмг листа в час, кукурузы — 52 мг С02/дм2 листа в час. Затем к концу июля интенсивность фотосинтеза резко снизилась. Это можно объяснить тем, что при хорошо развитом листовом аппарате в условиях достаточно интенсивного фотосинтеза асснмиля-ты не успевают использоваться и эвакуироваться, задерживая дальнейший ход фотосинтеза, т. е, осуществляется эндогенная регуляция фотосинтеза (Рубин, 1967; Курсапов, 1976). К концу вегетационного периода интенсивность фотосинтеза несколько повысилась, вероятно, с ослаблением жары.

Активность нитрогеиазы в корневой зоне растений в 1981 г. гораздо выше, чем в 1980 г., и в значительной мере связана с ходом фотосинтеза: она была наибольшей в начале вегетаини и составляла: у кукурузы — 38,2 н молей С2Н4/г почвы в час, у овса —29,1 н молей С2Н4/Г почвы в час.

Показатели корреляции между фотосинтезом кукурузы и азотфнксацией в ее корневой зоне в 1980 г. равнялись: г = 0,869, <1У1 ^ 75,5%; для овса г = 0,900, (1у|-81,1%; в опыте 1981 г. эти показатели были соответственно равны: г = 0,912, с1ух = 83,2% и г = 0,921, с]ух -84,8%, что указывает на тесную связь между двумя процессами.

Чрезвычайно низкая азотфиксааня в почве без растений обусловлена отсутствием притока продуктов фотосинтеза, а также отмерших корней или корневых волосков, являющихся главными источниками углерода для свободножнвущнх гетеротрофных азотфнксаторов.

Отмечено, что нитрогеназная активность в почве без растений в 1981 г. была в среднем в 2,5 раза выше, чем в 1980 г. Следовательно, повышенная температура окружающей среды благоприятно влияет на неснмбиотнчесиую фиксацию атмосферного азота в почве.

Нашими исследованиями установлено, что под влиянием различной освещенности (вегетационный опыт 1982 г.) фотосинтетическая активность растений изменяется в пропорциональной зависимости. Активность азогфиксацнп также находится' в прямой зависимости от интенсивности фотосинтеза, а значит, и от уровня освещенности при прочих равных усло-

№

ниях окружающей среды, что подтверждается статистическими расчетами.

При 100% освещенности кукурузы: г = 0,913, dyK 83,4%; при 100% освещенности овса: г = 0,969, dy* = 93,9%;. при 70% освещенности кукурузы: г = 0,991, dyi = 98,2%; при 70% освещенности овса: г = 0,996, Ьу1 = 99,2%; при 40% освещения кукурузы: г = 0,487, dyi =23,7%; при 40% освещения овса: г =■ 0,948, dyi = 89,8%. Видно, что при снижении освещенности кукурузы до 40% теснота связи между ее фотосинтезом и азотфиксацией средняя (г>0,3), влияние же фотосинтеза на азотфиксашио в данном случае равно только 23,7%.

Данные суточных наблюдений сопряженности фотосинтеза растений и азотфиксацией в их корневых зонах показывают, что существуют два уровня нитрогеназной активности: один, более высокий (примерно около 12 часов), характеризует дневную активность и другой, более низкий (около 24 часов), характерен для ночного периода. Эти два момента разделены между собой периодами с более низкой азотфиксацией (рис. 2). Лишь при 40% освещенности во второй половине вегетационного периода 1982 г. не наблюдалось ночного увеличения азотфиксацни у кукурузы и овса; в 24 часа нитрогеназпая активность в ризосфере была меньшей по сравнению с измерением в 18 часов. В парующей почве азогфнксация в течение сезона была крайне низкой по сравнению с азотфиксацией в ризосфере растений, она изменялась от 1,0 до 2,2 н молей С2Н4/г почвы в час.

Азотфнксирующая активность накопительных и чистых культур анаэробных бактерий, выделенных из ризосферы и ри-зоплакы растений. Результаты исследований (1981 г.) показали, что уровни нитрогеназной активности накопительных культур, выделенных из ризосферы и рнзопланы, существенно обличаются друг от друга. Так, высокая нитрогеназная активность отмечалась у культур из ризосферы, составляя в среднем у кукурузы 1588 н молей этилена на 1 г почвы в час. У накопительных культур, выделенных из ризопланы, процесс фиксации атмосферного азота протекал менее интенсивно, его величина составляла в среднем 329 н молей этилена на 1 г корней в час.

У накопительных культур анаэробов, выделенных из ризосферы и рнзопланы овса, уровни нитрогеназной активности составляли соответственно 925 н молей СгН«/г почвы п час и 275 н молей С2Н</г корней в час. Как видно, накопительные культуры Clostridium из корневой зоны кукурузы обладают большей нитрогеназной активностью, чем культуры из корне-10

вой зоны овса, что, по-видимому, объясняется различной фотосинтетической активностью растений.

У накопительных культур анаэробов, выделенных из почиы без растений, азотфнксирующая активность незначительно колеблется в течение вегетационного периода, составляя в среднем 281 н моль CjHi/r почвы в час.

При измерении азотфиксанни у накопительных культур анаэробов, выделенных из корневой зоны кукурузы и овса, в вегетационном опыте 1982 года обнаружено, что с уменьшением освещенности растений нитрогеназная активность культур также уменьшается (табл. 1).

Таблица 1

Нитрогеназная активность накопительных культур Clostridium, выделенных мэ корне во Л зоны растений, в зависимости от различном освещенности кукурузы и овса. Вегетационный опыт 1982 г. (н моль CiHJr в час)

Варианты опыта % ос вешен ПОСТ 11 Сроки анализов Среднее

6/VII 21/VII ■win I9/VNI

Парующая

почва 105,5 99,0 59,9 63,6 82,0

Кукуруза:

ризоплана 100 86.4 58,5 4 0,7 29.1 55,2

ркзоплана 70 59,1 31,8 2t,5 16,9 33,1

ризоплана 40 20.4 14,4 14,3 9,9 14,8

ризосфера 100 780,0 578,4 391,8 265,4 503,9

ризосфера 70 472,5 381,9 227,3 191,1 318,2

ризосфера •10 306,0 151.6 95,4 90,1 160,8

Овес:

р «оп.« на 100 76.5 44,1 36.8 27,4 46,2

ризоплана 70 46,7 37,6 32.4 22,5 34,8

ризоплана . 40 11,6 12,8 . 10,1 8,8 10,8

ризосфера 100 463,5 200,4 185.1 122,2 242,8

ризосфера 70 312,0 154,6 96,7 78,3 160.1

ризосфера 40 210,8 99,5 66,9 55,1 108,1

Расчеты коэффициентов корреляции между фотосинтсти-ческой активностью растений и нптрогеназной активностью накопительных культур анаэробов, выделенных из корневой зоны кукурузы и овса при различной освещенности растений, также показывают наличие тесной связи между двумя процессами <г = 0,902—0,995). Лишь при 40% освещения растении коэффициент корреляции уменьшается до г = 0,498 (в ризосфере кукурузы).

Изучалась также нитрогеназная активность чистых культур Clostridium. Выявлено, что более высокая нитрогеназная активность наблюдалась у культур, выделенных из корневой зоны кукурузы, менее высокая — из корневой зоны овса.

У штаммов, выделенных из почвы без растений, нитрогеназная активность гораздо меньше, чем у штаммов Clostridium, выделенных из корнев0й зоны растений.,

. . Изучение распространения «анаэробных' бактерий в ризо-плане растений в условиях гн отоб и от н чес к и х культур. С помощью сканирующей электронной микроскопии обнаружено, что заселение корней растений анаэробными бактериями рода Clostridium имеет микрозональный характер. Наряду с участками, полностью лишенными микробных клеток, есть зоны, заселенные как единичными клетками, так и микроколониямн. Клостридин располагаются в глубоких складках поверхности корня и на выступах корней.

Неполное заселение корней растений анаэробами Clostridium, наблюдаемое в наших экспериментах, можно объяснить, по-видимому, с одной стороны, гнотобиотическимн условиями исследований (Возняковская, Лврова, 1982), а с другой — отсутствием возможно необходимых аэробных спутников.

Выводы

1. Обнаружено численное преобладание анаэробных бактерий рода Clostridium в корневой зоне растений по сравнению со свободной от корней почвой. Наивысший ризосферный эффект был выявлен у кукурузы. Количество клострндий в ризосфере растений больше, чем в ризоплане.

2. Впервые установлена связь между динамикой анаэробных бактерий рода Clostridium в ризосфере и ризоплане кукурузы и овса в течение вегетационного периода и их фотоснн-тетической активностью.'

3. Впервые выявлено изменение ассоциаций анаэробов ро-дa'Clostridшm в корневой зоне кукурузы и овса и существенное разнообразие их видового состава. В парующей почве видовой состав, изучаемых бактерий был более бедным, однако здесь был обнаружен CI. fallax, не наблюдавшийся в зоне корней кукурузы и овса. Наиболее распространенными видами анаэробных бактерий оказались CI. pasteurianum н CI. sporo-genes, обнаруженные как в корневой зоне растений, так и в свободной от корней почве.

-1. Уставовлена зависимость 'ннтрогеназной активности в корневой зоне кукурузы н овса от их фотосинтетической активности, наблюдаемая в разные по метеорологическим условиям годы.

5, Более тесный параллелизм между фотосинтезом растений и азотфиксацией в их корневой зоне выявлен при суточном наблюдении этих процессов. Установлены два уровня нпт-рогеназной активности: один, более высокий (около 12 часов), характеризует дневную активность и другой, более низкий

ia

(около 24 часов), характерен для ночного периода. В почве без растеннй в течение суток наблюдалось небольшое повышение азотфнксации в дневное время.

6. Исследованиями установлено, что изменение освещенности растений приводило к изменению активности азотфнксации, что связано с изменением фотосинтетнческой активности растений.

7. Обнаружено, что с уменьшением освещенности растении ослабляется н нитрогеназная активность накопительных культур анаэробов рода Clostridium, выделенных нз ризосферы и ризопланы кукурузы н овса.

8. Наиболее высокая нитрогеназная активность отмечалась у накопительных культур Clostridium, выделенных нз ризосферы растений. Менее интенсивно протекал процесс фиксации азота в накопительных культурах Clostridium, выделенных из ризопланы. Выявлено существенное отличие в активности ннт-рогеназы накопительных культур анаэробов, выделенных нз корневых зон кукурузы и овса.

9. Обнаружена более высокая азотфиксирующая активность чистых культур бактерий рода Clostridium, выделенных нз корневой зоны кукурузы и овса ло сравнению с активностью клостридий, выделенных из почвы без растеннй.

10. В гнотобнотическнх условиях изучена топография анаэробных бактерий рода Clostridium на корнях кукурузы и овса с помощью сканирующей микроскопии. Установлен ряд закономерностей заселения корней растений анаэробными микроорганизмами.

П. Наши исследования показали, что сопряженность двух процессов — фотосинтеза и фиксации атмосферного азота, изучение механизмов их регуляции имеют не только теоретическое, но н практическое значение, так как открывают возможность эффективного повышения урожайности сельскохозяйственных культур путем более полного использования «биологического» азота растениями за счет повышения интенсивности их фотосинтеза.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы

1. Ннцэ Л. К., Годова Г, В. Несимбнотнческая фиксация азота атмосферы в корневой зоне растеннй. — ^Микроорганизмы как компонент биогеоценоза». Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. Алма-Ата, 27—29 сентября 1982, с. 193—194.

2. Г. В. Годова, Л. К. Ницэ, М. В. Моторнна. Фотосинтез растений и неснмбнотическая фиксация азота в корневой зо не. —Известия ТСХА, 1983, в. 1, с. 117—120.

Л 72999 23/Х1—83 г. Объем 1 п. л. Заказ 3093. Тираж 100

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

Бесплатно