Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Сукцессионные изменения в структуре комплекса почвенных стрептомицетов

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Сукцессионные изменения в структуре комплекса почвенных стрептомицетов"

«ОСКОЗЗСКИЯ ОРДЕНА. ЛИШИЛ. ОГДЕНА ОКТЛБГЬСКОД Ш23ЛЩШ! И ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГССУДЛГСТВИПШ УНИВЕРСИТЕТ им. M.IJ. ЛОМОНОСОВА

■МШИСТ ПО'ЩОВЕШЯЫЯ

На правах рукописи

ТГ11ГКР когошш го!ши<сос1ш

УД1С SOI.40:079.373.II.033

СЛЩЕССИОЮШ ИОМБШПШ В СТРУКТУПЗ К0Й1Ш2ЮА • , ■ ПОЛПИВИХ СОТПТОГ.'МЩТОВ

Сгоцивлытстъ 03.00.С17 '- мгасрсбпо.~спш

Литорофоро? диссертация тга созскш» уэд'юй степени .

кошидата бн'0.10гп;:сс:с;17. i:oyi:

Mociccn - 1900

Работа вшкшюиа ко кофодре биологии почв факультета

почбсбодош:я Московского государственного университета имонн М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор биологических паук, профоссор Д.Г.Звяггащов. ' '

<Х5ициалышо оппонента: доктор биологических'наук, профоссор В^Т.Емцэв; кандидат биологических паук, старший научный сотрудшпс К.А.Виноградова 1 •

Вэдущее учрождояие - Всосоюзинй научно-исследовательский институт по изысканию нових антиОиотикоаЛМН СССР.

Бощгга состоится "•/<£" . .. 19Э0 года

в часов на заседании специализированного совета К 053.06.86

по Е/йкроОиологни и агрохимии б МГУ им.Ломоносова в аудитории М-2, адрес; 119899, Москва,Лон/инские гори, МГУ; факультет почвоводешл, Учоный совет.-

О диссертацнопй можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ. . . • • ■

Автореферат разослан 1990 года.

Учений секретарь специолизировагаюго совета

доцент . / // И.П.Бабьева

Подписано в печать 25.08.90г. Заказ 621 Формат 60x90/16 Тиран 100

Москва. Типография ВАСХНИЛ .

Актуальность проблем. Акткномнцеты - одна из многочисленна:, групп прокариотного населения почвы. Иг. место и роль е функшюнзцс-езнии почвенного микробоценоза определяется как относительно невысокой скоростью размножения, так и способностью утилизировать полимерные соединения. Ранее было показано, что наибольшей численности актиномицеты достигают на относительно поздних стадиях сукцессии почвенных микроорганизмов, при этом комплекс почвенных актиномицетов претерпевает сукцессионные изменения. Имеются данные о динамике численности и структура (споры - мицелий) отдельных, ок-тиномицэтных популяций in situ, о взаимодействиях популяций актиномицетов с популяциями бактерий (Полянская 1985; Волкова 1987)Л'-то л:е время закономерности функционирования комплекса почвенных актиномицетов практически не изучены. Не изучены механизмы регуляции численности как комплекса актиномицетов в целом, так и отдельных актиномицетных популяций. Отсутствуют данные об изменениях структуры комплекса почвенных актиномицетов в ходе сукцессии. Между тем, в общей экологии анализ структуры комплекса организмов ш---ляется одним из центральных вопросов, позволяющих решать как теоретические, так и прикладные проблемы. Применительно к почвенным актиномидетам информация такого рода необходима для решения разнообразных прикладных задач, включая возможность целенаправленного воздействия на ход микробных процессов в почве в интересах рационального природопользования. - -

Цель работы. Изучение организации комплекса почвенных актине. -мицетов как единого целого на основе обшеэкологического подхода с определением сукцессионных изменений, раздала экониш и межпопуля-ционных взаимодействий.

Основные задачи исследования. I.Изучение комплекса почвенник

^KTIIrlOMIIlIC TOF. ПО ОООТПСШеКПЮ риЛИОЛЬНКл CI'OijGCTOii pGOTc. Б ЛЬ У Г1 Til—

по-ш: черноземе и дерново-подзолистой при различных способах инициации сукцессии комплекса почвенных микроорганизмов и на разных этапах этой сукцессии. Определение степени напряженности взаимоотношений в комплексе почвенных актиномицетов. 2. Изучение в динамике взаимного влияния внесенных актиномицетных и бактериальных популяций в почве, а также выяснение вопроса - меняется ли тип взаимодействия на разных стадиях сукцессии и зависит ли он от воздействия на почбу внесением дополнительных суостратов. 3. Проверка наличия внутрипопуляционной регуляции, ее специфичности к условий для проявления на начальном этапе развития различных' популяций почвенных стрептомицетов In vitro и in situ.

Научная новизна. Впервые показано, что динамика почвенных стрептомицетов подчиняется определенным закономерностям, т.е. данный комплекс представляет нечто большее, чем просто совокупность организмов, и может рассматриваться как часть сообщества с определенной организацией. Выявлены сходные закономерности изменения структуры комплекса почвенных стрептомицетов в двух типах почв по обилию объектов с разными диапазонами скорости роста. По кришм рангового распределения актиномицетов с конкретными радиальными скоростями роста определено, что взаимоотношения в данном комплексе весьма напряженные. Данный подход использован для определения сукцессионных этапов и оценки разнообразия комплекса. Тип отношений мокет изменяться в ходе сукцессии, а также при смене условий среды. Эффекты угнетения бактериальных популяций наблюдаются на поздних этапах сукцессии (50-80-е сутки). Установлено, что процесс прорастания спор стрептомицетов как у чистых культ}!) 111 vitro, так и при интродукции в нестерильную поч-

ву контролируется специфическим внутрштопуляциошшм механизмом, который моеэт быть охарактеризован как ауторогуляторноо пнгибиро-вапио, проявляющееся при расстоянии метлу спорами менее 15 мкм.

Практическая дойность. Опродолониэ срэдной радиальной скорости роста, индекса разнообразил и степени напряженности взаимоотпо-

ГГ'

поил!! по кривим относительно'обилия позволяет судить о состоянии сообщества стрептомпцотов и, в конечном счете, прогнозировать события в езязи с конкретным воздействием. Результаты, получошшо при'изу':0!п!и прорастания спор стрептомпцотов, необходимо учитывать при изучении' юпсробостпзисоп, поскольку отсутствие прорастания спор прг: тк епос9!п:и в почву мо:;:от определяться по столько хорак- . терпсткксми среда], сколько высокой плотности популяций. Выявленное гтсисглорюсти мэхзтакробшх взг.пг.-одействнй могут Сыть исполь-г;)т?-ти :гпт ксбиратолыпа воздействиях на аолатолышэ я нсетлзтель-,ч:;о !юггул:!ц:.ип. Получошшо результаты ¡гслользуятся в курсе "Эко-»"огг': почебпиих микроорганизмов" но кпфэдро. биологии почз факультета Почвоведения МГУ. '

Апрабг.цпя роботы. Основные положения дпеерртпшга были Дойо-гскн ::п пг.аодвкяя кофодри биологии почв факультете 'дочвоведоттл • МГУ (1939), на Ш Есосотоном с:м10зиумэ "Биодинамика ттоЧв" (7плл;шн, 1СП), нп Есосоюзном совещании "Окология популяций" СГогсс 1С.З).

ЦхбПо тег-з ,-::ссортг,ц;:п опубликовано О работ. ОС; "и работы. Диссертация состоит из введения, ¥ глав, о?л!л:очс;':!л и гиподов. Материалы диссортоцлп изложены на -

згт'цг.г: ::т:т.';огп1спого текста, содержится2-!? рисунков, ^ таблиц, С1П1СО;С „тлтаратури из ¿?<£Унг)звп1Птй (из них //¿Яорубо:::пкх).

»

ОБЪЕКТЫ. И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В кэчостбо объектов исследования были выбраны 4 культуры почвенных пктшгомицетов: Streptomyces ollvoclnereus,11-98 из кол- j

лекции лаборатории антибиотиков МГУ, S.caeruleus, S.cinereorectua, '

I

S.íilamentooua, выделенные наш из чернозема .типичного(Курская обл.) (определение проводили по определителю Гаузе и др.,1983) и " три бактериальные культуры Hhizoblum leguminosarum шт.ZK-(Латвийская с/х академия).Pseudomonas denltrilicans и Micrococcus agllls из

коллекции кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ.

/

В работе использованы водгше моноспоровые суспензии актиноми-цотов (Кузнецов,1972) и отмытые культуры бактерий.

Актиуомицетныо культуры имеют легко определяемые характерные признаки (маркеры) при высове на твердые питательные среда, что позволяет проводить выявление и учет популяций этим методом. Количественный учет бактериальных популяций проводили с использованием генетически маркированных по устойчивости к стрептомицину штаммов (Класен.1974), высеваемых нп -твердые питательные среда ' с, добавлением стрептомицина (100 мкг/мл среды).

В опытах использованы образцы типичного чернозема (Воронежская обл.) и дерново-подзолистой почвы (почвенный стационар МГУ). Сукцессию почвенных шкрооргонизмов инициировали увлажнением воздушно-сухих образцов (60% от полной влагоемкости),о такжо одновременным увлажненном и внесением хитина и глюкозы (1% от массы воздушно-сухой почвы) и инкубировали в оксикаторс при 18-20° и постоянной влгдаюсти (С0% от полюй влагоемкости). Для изучения динамики численности внесенных популяций методом посева в ходе сукцессии через опрсдслзннио сроки из почвопных'образов отбирали по 2 смешанных образца и высевали па селективные агаризовашше

-Л-

среды. Пород микробиологическим анализом почвенную суспензию обрабатывали ни низкочастотном ультразвуковом дисгтергаторс УЦШ-1Л22 кГц. 0.44Л, 2 мин).

При изучении структура комплекса почг.ешшх актшюмицс^ов по • радиальной скорости роста разведение подбирали так, чтобы па чашка вырастало но болео 5-IO колоний. После 2-суточного гашубирова-тшя в термостате при 28° измеряли диаметр выросши^ колоний при помощи микроскопа МБС-9? Затон эту операции повторяли еще 4 раза че -роз.какдыо 8-12 ч. За диаметр отдельной колонии принимали сродное ерИ'Шетическоэ измеропий, выполненных в двух взаимна перпендикулярных направлениях. Вычисляли радиальную скорость роста колонии

rt"rn

по форму.чо: гдо-КГ - радиальная скорость роста, rQ -

радиус колоний в началышй момент времени to. г - радиус колонии в момент времени t. Затем определил:! волкчину Кр Ср для все?: колоний. выросши при поеово. Оцопку разнообразил сообщества проводили

с помосыо индекса разнообразил Шеннона: "D=" , гдо D -.шь

м ■

деке ¡¡,'з:моиа,р_= 1 n , II доля колоний актпнемицотов n-го класса.

" £~1Г п

Ллп изучения яйспредолешш актинсмицотоз до скоростям роста било выбрано IÓ классов значений радиальных скоростей'.роста (Кг),' которые захватывали вось диапазон встретившихся в опито значений Кг тщгоидуалышх колоний. Кпядый класс объединяет сктипомицоты о близкими ¡значениями радиальной скорости роста.

Степень напряженности взаимоотношений в комплексе почвенных акгипомлцетов (слабоо взаимодойствио, слояашо взаимодействия обычно боз конкурентного исключения, острая конкуренция) определяли по типу кривых относительного доминирования "классов" актине-мине тов с определенными величинами кг.

Прл изучении прорастания спор актиношщотоп на предметныо

обозжирешше стокла наносил! моноспоровую суспензии так, чтоб и число спор в поле зрошш составляло 0-10, 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 и > 100. В качестве индекса обилия использовали среднее рас| стоянии можду спорамигде г - расстояние, га - популяциопная плотность в расчете на единицу площади. Стекла с препаратами шосили в почвенные образцы на О-о, 7-е и 30-9 сутки сукцесски и шпеубировали в течете трех суток. Контролем служило инкубирование во влакной камере.

Учет, проро.ссшх спор производили на люминесцентном микроскопе ЛШАМ И-3. При изучении внутрипопуляциоиной рогуляции использовали флуорохром акридга; оранжевый. В случае изучения межвидового взаимодействия (когда на препарат наносли одновременно две культуры) препараты окрашивали по непрямому методу иммунофлуоросценции (Полянская, 1978). .

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ

Экология актиномицетов игученэ довольно слабо и в настоящее время большой интерес представляет введение количественных. • • показателей, отражающих в локогагшой форме основную информацию о состоянии мпфобной системы, при этом нет необходимости идентифицировать виды актиномицетов. Радиальная скорость роста является одной из основных биологических характеристик мицелиолышх организмов и, поэтому было проведено изучоние структуры комплекса почвенных актиномицетов по соотношению радиальных скоростей роста. Исследование ироводили в двух резко отличающихся типах почв.

Динамика структуры комплекса шет^номицотов в черноземе имеет следующий характер (рис. I, 2). В момент инициации сукцессии величина ¡Ср Ср_(35,в мкм/ч) и И (2,35) довольно высоки. Нет выраженного доминирования какого-либо одчего классы. На 7-е сукти величина

Кг Ср падает, индекс разнообразия также снижается. Это связаю с тем, что на данном этапе ярко выражено доминирование одного класса с низкой радиальной скоростью роста (15-25 мкм/ч) при сокращении

Рис Л. Динамика средней радиальной скорости роста (I) и

индекса разнообразия Шеннона (Я) ю в комплексе пктиномиц^тов в черноземе при иницишттт сукцессии увлажнением (я¡, углажпепием с внесением хитина (б)и увлежне= нием с внесением глюкозы (в).

fj (yr.ru seo

сбдого количества 1слассов. В варианте о инициацией сукцессии хитином нет стс.:,ь четко выраженного доминирования медленнорастущих ак-тшгомицетов на'7-е сутки о;штн.

В дальнейшем но 14-18 сут. сукчоссии разнообразие акгспгомице-тов увеличивается, причем в варианте с хитином до;.'лпирупт imoccij , быстрорастущих окттгомгцетов (35-45; 45-55 мкм/ч). а в друггт гз-рипнтах - медленнорастущих (10-15: 5-25 гаа/ч), В то же время средние значения К., и I) по всех вариантах очень близки.

На более поздних, птапах сукцессии (43-110 сут.) величины !СГ Ср и D изменяются незначительно. Однако Кг Ср в варианте с внесением хитина значительно выше, чем в варианте с глюкозой и в контроле. В то же время индекс разнообразия п варианте о хитином

Рис. 2. Динамика структуры комплекса почвенных актиномицетов по радиачьноП скорости роста в черноземе при итщиации сукцессии увлажнением (а), увлат,пением с внесением хитина (б) и увлажнением с внесением глюкозы (в). И .- численность актиномицетов п-го класса (с одинаковыми радиальном скоростями роста), СЛ; п - номер класса; ь=Ю+5(п - Т\ мкм/ч. Ци>ры на графике (0, 7, 14, 10, 43; 100) означает дли проьедения исследования.

-в-

существенно ниже. чем в контроле за счет доминирования классов быстрорастущих актиномИцотов с Кг 05-45 и 45-55 мм/ч, Таким образом ^вариант с хитином оказывается паиболео благоприятным для быстрорастущих почвегашх актиномицетов. Вероятно, хитиназная активность быстрорастущих актиномицетов выше.Действительно, быстрорастущий актиномицет 3.cinei'eorectu3 (Кг=54,б) хорошо разлагает хитин в жидкой среде и лучше развивается при внесении в почву но более поздних етапах сукцессии (15 сут.). Б то'-жо зромя медленнорастущий актиномицет S.fllamentosus (Кг=13,2) практически не роб на среде с хитином и лучше развивался при внесении в почву в момент инициации сукцессии.

В контроле процентное содержание различных классов выровнено и их разнообразие довольно велико. Вариант с внесением глюкозы наиболее близок К контролю, однако присутствие мономера позволяет быстрорастущим актшгомицетам занять доминирующее полоягашго у::;е но 7-е сутки.

В дерново-подзолистой почве в момент инициации сукцессии Кг Ср ниже, чем в черноземе, доминирует класс .с Кг 15-25 ккм/ч,' в то же время величины D близки. На 7-о сутки как и в черноземе отмечается паденио величин Кр Ср и D за счет исчезновения классов быстрорастущих актиномицотов.Наиболее выражено это падение в варианте с хитином. Но 14-е сутки во всех вариантах опыта возрастает численность быстрорастущих актиномицетов, что сопровождается возрастанием величин Кр Ср и D. В дальнейшем но наблюдается существенных флуктуаций зтих величин и наиболее многочисленным является класс с Itr 45-55 мкк/ч. С 14-х суток опыта различия между вариантами нивелируются , во всех трех вариантах опыта доминируют быстрорастущие актшюмицотн. Величина 1С в дерново-подзолистой

почве вше, чем в черноземе (доминируют классы с Кг 45-Бб и 36-45 мкм/ч, соотвественно).■

Таким образом, но разных стадиях сукцоссии преобладают актинеj-мицеты с различными скоростями роста и можно подобрать условия для лыделония.группировок актиномицетов с определенными величинами Кг.

Изучение распределения пктиномицотов по классам с определенными радиальными скоростями роста в ходо сукцессии, инициированной внесением в почву различных органичоских субстратов, дало возможность судить и о взаимоотношениях, складывающихся внутри ок-тиномицетного комплексе. Для этого были построены кривые рангового раеггродолоштя классов сжтиномицотоп о. определенными величинами родиалыщй скорости роста (Уиттеккер.1980).■

На 43-е и 100-е сутки сукцессии в варианте боз внесения хитина индекс разнообразия возрастает, а кривые относительного доминирования "видов" наиболее близки к модели логнормалыюго распределения (S-обрпзпоя кривая), которое храктерно для насыщенных сообществ в условиях действия многих относительно независимых факторов боз шрокогаюго конкурентного исключения. Кривая доминирования на 7 сутки сукцессии (индгчсс разнообразия на этой стадаш значительно низ;е (рис.Л) соответствует модели геометрического ряда (крутая прямая), что свидетельствует о приорететох в конкурентном захвате ниш (т.о. наиболее обильный вид захватывает половину доступного пространства пикш, следуиший по обилии вид - половину от оставшегося пространства и т.д.)(рис.За). В варианте с'внесенном хитина разнообразие актшюмицотов по Кг тшэ, чем в контроле, а кривые относительного доминирования na вспх стадиях сукцессии наиболее близки к модели геометрического ряда (рис.36).-

Токим образом, взаимоотношения л комплексе почвенных октино-

мнаотов, особенно при пносешш хитина, характеризуются достаточно

-Ю-

Ряс.3._ Кривнэ относительного доминирования "классов" актиномицотов с определенными радиальными скоростями роста п) увлажнение почвы, б) увлажнение и внесение I" хитина. I - 7-е сутаи сукцессии,2 -43-9 сутки сукцессии, 3-100-е сутки. оу1сцесдин. Ось х - ранг класса (от найболоо обильного к наименее обильному). Ось у-1д относительного обилия класа (%), имеющего данный ранг.

высокой напряженностью. Вероятно, что в таких условиях любое'воздействие на 'почву, например, виесошю микробной популяции мокот вызвать серьезные измелония в структуре комплекса почвенных актино-мшетов, которые, в свою очеродь отразятся на всем микробоценозв. Воздействия на почвоший мнкробоцоноз с помощью внэсишя популяций, создали.различное экологические ситуации.Гак, впосонио попу ляции иглаешшоаагига по оказывало влияния на численность популяции 3.оШ'ос1погсиз. строптомшют в свою очоредь полоимталыго влиял на численность клубеньковых бакторий. Однако в варианте с внесением хитина я популяции Б.о11тос1погшз отмечается гибель популяции Ш1.1£>8ил)1поопгш1 па БО-о сутки (рис.4). Фактор, приводящий к гибо ли популяцию клубоныишх бактерий доЯстпуит в точение 1-я суток.

при инициации сукцессии увлажнением (I), увлажнением с внесением 1?$.хитину (2), увлажнением с внесением популяции З.о11уоо1пегеиа

(3), увлакнением с внесением К хитина и популяции 3. о11 уос!пегешэ'

(4). И - показатель популяционной плотности (количество колонеоб-разующих е/цпшц/г почвы).

Рис. 5. Динамика численности клубеньковых бактерий в черноземе при вне -.онни их на 0, ?,. 4, -30, 42 и 50 сутки от начала сукцессии, ин.'.цппроналноГ: увлакнением с внесением хитлиа (1?5) и популяции 2.о1±уос1пегсиа 17 - показатель иопуляцлонпоП плотности (кое/г поч-

ыО.

Рис.. 6. Динамика численности популяции З.саеги1еив в чернозема при инициации сукцессии увлашением с внесением популяции клубеньковых бактерий (10® кл/г почвы)(П, увлашением с внесением 15£ хитина и популяции клубенырвых бактерий (2), увлажнением с внесением популяции М.ае111а (3), увлажнением-с внесением 1К хитина и популяции

Рис. 7. Динамика численности популяции И.ввШа в черноземе .при шп!-циацт} сукцессии увлажнением (I), увлатшёичем о внесение!! читана (2), внесением популяции З.саепаеия (3), внесением поп-;ляпни Б, оаоги1 виз и хитина (-1). N - показатель популяционно!! плотности.

т.к. при внесении данной популяции im БХ сутки с начала опита гибель не отмечается, а при внесении на 42 сутки популяция но обнаруживается уже на'49 сутки (рис.б). В варианте опыта с внесением популяции S.caoi-uleus и хитина численность популяции клубеньковых

к

бакторий снижалась до 10 кл/г почвы и стабилизировалась.

Если клубеньковые бактерии практически не влияли на численность популяции строптомицета в течоние всего изученного периода, то в эксперименте с популяциой M.agilis было выявлено взаимное влншиш бактериальных и стрептомицотпых популяций. В присутствии популяции M.agilis численность популяций стрептомицетов к 30-40 суткам от начала опыта возрастала на 1.Б-2 порядка (рис. 6). Стрептомицоти на рашшх отонах также оказывали небольшое положительное влиялио на популяции микрококка. В случае внесения хитина п популяции S.caurulcua отмочаотся подавление популяции W.agilio -оп числешюоть падает без указаний на дальнейшую стабилизацию „ (рис. 7).

Популяция Po.denitriilcano практически не влияет на численность популяций строптомицатов. Совместное шосонио со стрептоми-цотом вцзнваот снижение численности популяции псевдомонады, на поздних этапах сукцессии отличается w розкое падение (рис.8).

Однако в регуляции численности популяций стрептомицетов в почве кроме момгапуляциошшх важную роль могут играть и внутрипо-пуляцпошшо взаимодействия. В контрольных экспериментах было уста-ноштоно, что процесс прорастшшя "ж>р во влажной камеро существенно зависит от их обилия (рис.9) и может бить описан с помощью уравнений рзгроссии. Для поп.уляЦии S.ollvocinorGus, S.cinerisorec-tiui, S.iilamontoouo гприсимость имеет вид а-б.З^ 1,00х (коэффиии опт корреляции г-0,07). где я -.процентное содержание проросших

спор, х - сродное расстояние между спорами (мкм). В случае с

Б.оаегийеив процесс описывается уравнением Юх (г-0,94).

Л

Гис.8. Динамика численности популящш Ро.йепигШсапо в черноземе при гашциашга сукцоссии умазкношгем (I), увлажнением с внесением 1% хитина (2), увлажненном с внесенном популяции 3.о11гос1погеип (3), увлажнением с внесением популяции 5,о11тос1пеге1Ш и 1% хитина (4К 1! - показатель популлциопноП плотности (количество

колонеобрпзуших едишщ(1(оо)/г почгш).

ООыая закономерность состоит и том, что относительное содержание проросших спор существенно сшикается при повышении показателя начальной популяцношюй плотности. Максимальное количество про росших спор (болео Б0% для Б.спеги1еив и от 30 до 40% для остальных популяций) регистрируется в том случае, если сродное расстояние между спорами превышает 15 мкм. Минимальное число проросших спор (10% и мопое) отмочено при снижении расстояния до 5 мкм. Таким образом, выявляется ясно шражошшл регуляция. Наблюдпемий механизм регуляции является пнутрипопуляциошшм, так как в дачном эксперименте но препарате представлена только одно, популяция. Пр> несс прорастания спор осуществляется зп счет зндогешшх ресурсов.

а.

so to ъо го /с

й

~io 2с? id td if-

-¿S-ao x> ÍV

Плотность популяции (чи.сло рпоп/поле зрения)

9,/ to 53 ¿г t° 43 лг. .

Среднее расстояние между спорами (мкм)

Гис.9. Прорастание спор G.olirocinoreua, S.clnoreorectu3 и S.filament osus (а) и S.caeruleua (0) в контрольном эксперименте (пунктиром обозначен вариант с добавлением lit глюкози).

Три популяции дают единую прямую зависимость прорасташш спор от плотности популяции, что возможно связано со'сходством механизма регуляции. Четвертая популяция дает зависимость такого жо типа, но'прямая получается более круто!Ырис.Эб).

Внесение глюкози в мопоспоровую суспензию непосредственно перед приготовленном препарата существенно меняет характер динамики прорасташш. По пришро с S.caeruleus установлено, что вносо • пио глюкозы при малой численности спор ингибируот их прорастание, о при высокой начальной популяциоппой плотности стимулирует, причем.в последнем случае процентное- содержание проросших спор возрастает в 2.-10 раз. Таким образом, при наличии легкодоступного органического вещества возможно массивное прорастание спор дая;о при их высокой численности. На обычной богатой питательной среде в

отличие от водной сроды прорастают почти все спори независимо от их плотности. ,

■ Наблюдаемые закономерности, указывающие на признаки определенной экологической целесообразности на начальном этапо развития .стрептомицетов, соотпоствуют картине, наблюдаемой при прорастании спор грибов. Предполагается, что вутоингибирование прорастания . грибных спор при их высокой численности обеспе.чиваотся летучими метаболитами, включая триметиламин (НоЫпзоп а1.,1989). Как видно из получе!Шых наш! результатов, подобные механизмы скорее • ■ всого действуют и в случае со стрептомицетами, а поиск и определение химической природы таких метаболитов представляет самостоятельный интерес.

Изучение прорастания спор при попарном совместном внесении на препарат всех исследуемых популяций стрептомицетов на различных • уровнях обилия, проведенное с помощью иммунофдуоресценции, показало, что и в этом случае сохраняются описанные выше закономерности (т.е. решающим фактором является внутрипопуляционная регуляция , которая специфическим образом действует только па свою популяцию и практически не влияет па другие .стрептомицеты. Т.о. на начальном этапе рвзвития популяттА. стрептомицетов межвидовые взаимодействия не являются определявшими.

Таким образом, прорастание спор, стрептомицетов на бодных сре дах контрол1груотся специфическим внутрипопуляциошшм механизмом, который проявляется при повышении обилия спор." На богатых средах или при введении легкодоступного органического вещества, закономерности прорастания резко изменяются.

При внесетт стокол со спорами стрептомицетов в дерново-подло листую почву исследовалась злвиснмость~процссса прорасгашл спор <■> совместного действия двух основных факторов - исходной нопуляшюшюЛ плотности и этапа микробной сукцоссуи, т.е. дччомики

изменения естественного микробного комплекса почвы.

Для наглядности информация, получешшя после сглаживания со-

вокупносаи экспериментальных данных плоскостью а- ах + Ьу + с с

обеспечением минимума квадрата ошибки, представлена графически

(рис.10). Зависимость меащу тремя переменными в диапазоне

исходного обилия от 10 до 50 клеток в поле зрения (4900 мкм2)

имеот прямолинейный характер и может быть выражена множественными

линейными уравнениями плоскости рогрессии: для 5.о11уос1иегеиз й = 6,35х - 0,15у - 23,43

5.саеги1еио ъ = 4.91Х - О.Обу - 17,89

Б.с1погеогесоиз а ^ 3.78х - О.БОу - 2,84

З.тагаегПопиз г, = 6,40х - 0,24у - 13,60

где г - процентное содержание проросших спор; х - сроднее расстояние между спорами (мкм); у - стадия сукцессии (сутки). Как исходное обилие популяций, так и стадия микробной сукцессии в почве оказались значимыми факторами.

Сравнение популяций показывает, что процосс прорастания спор у Б.о11уос1пегоио и Б.саепиеиз в основном определяется исходным обилием спор, а сукцоссиошшй фоктор на этом Фоне проявляется менее сильно. Для спор 3.с1пегеогесШо и Б.П1ш1юп<;озив сукцесси-ошше измонония в почвенном- микробном комплексе столь же сущос-твонны, как и исходная концентрация клеток.

Во всех случаях максимальное содержание проросших спор наблюдалось при интродукции относительно малочисленных популяций (х > 9 мкм) в момент инициации сукцессии , а минимум проросших спор зарегистрирован при сбилышм внесении (х « Б мкм) на 30-е сутки сук-аоосии. 'шким образом, внутрппопуляцконнэя регуляция'процесса" прорастания спор, выявленная в контрольном эксперименте во влалной камере сохраняет свое значение и в нестерильной почво.

Ьлиьние сукцоссг.ошшх измп;> ний, связашшх с потенциальным г-;>зрастг.!шсм значимости межмик^оячих взаимодействий в ходе

си

Рис. 10. Зависимость относительного содержания пррросших спор (#) (2:) от среднего расстояния мазду спора).« (мкм) (х) и стадии,сукцессии (сутки) (у).для 3.о11тоо1пегеиз .(а), З.саегиЗ.еир (б), З^пегеогес^из (в) и Б.ГИатепгоаив (г).

парохода от "молодой" к "зролой" система, проявляется наиболее сильно на поздних этапах сукцессии . На процесс прорастшшя спор также- оказывает влияние способ шшциащш сук^цоссии . Однако внесение хитина влияот на прорастание спор только при их достаточно низкой концентрации.

Все основные результаты, полученные при внесении спор стрэп-томщетов в дерново-подзолистую почву и в чернозем аналогичны.

Таким образом, в нашей работе установлено, что процесс про-расташш спор стрептомицотов как с чистым! культурам! in vitro, так и с интродукцией в нестерильную почву контролируется специфическим внутр:шопуляциошшм мэхашюмом, который мокот быть охарактеризован как ауторегуляторноэ ингибирование, проявляющееся на бедных средах при среднем расстоянии мевду спорами менее 16 мкм.

ОБСУЖДЕНИЕ

Изучение структуры комплекса почвенных актиномицетов показало, чгр в ходе сукцосоии в втом комплексе происходят значительные перестройки и сукцзссиошшо изменения возможно регистрировать с помощью кинетического описания структуры комплекса вктиномицетов. Общая закономерность изменений, наблюдаемая при работе с разными почвами й воздействиями (увлажнение,-внесение мономера или полимэра), состоит в том, что на ранних этапах сукцессии (7 сутки) происходит снижение индекса разнообразия и Кг Ср , а в последующие сроки значения обоих показателей возрастают и стабилизируются.

Динамика разнообразия вктиномицетов подчиняатсл'классическим предоставлениям о перехода и хода сукцоссии от "молодой" системы о

ограниченным набором объектов к "зрелой" система с выраженным разнообразием (Одам, 1986). Однако да.ламшеа структуры комплекса почвенных вктиномицетов по радиальной скорости роста противоречит привычным представлениям: на первых этапах сукцессии доминируют медленнорастущие популяции (10-25 мкм/ч),.а быстрорастущие.(35 -

55 мкм/ч) выходят па первый план только на поздних этапах. Таким образом, наблюдается парадоксальная картина: в условиях "молодой" системы с присущей ей высоким темпом размножения актиномицеты представлены медленнорастущими популяциями , а быстрорастущие актиномицеты становятся доминантами в "зрелой" системе, для которой характерна низкая скорость размножения и, по-видимому, их доминирование на поздних этапах сукцессии связано с появлением в этот период отмирающего грибного мицелия, клеточные стенки которого содержат значительное количество хитина. Выше отмечалось, что обогащение почвы хитином дает явные преимущества в развитии быстрорастущим актиномицегам, хитгшазная активность которых выше. Преобладание одной определенной группы-актиномицетов со сходными . кинетическими и трофическими характеристиками при внесении хитина приводит к возрастанию конкуренции в актиномицегном сообществе, о чем свидетельствует характер кривых относительного доминирования. Кроме того, изучение данных кривых мокло использовать для определения сукцессионных этапов, оценки разнообразия актиномицетпого комплекса и выяснения способа деления ншевого пространства без идентификации видов.

Таким^образом, в двух изучешшх типах почв наблюдаются сходные закономерности сукцессии комплекса почвенных актиномицетов. Изучение состояния данного комплекса" показало высокую конкурентную напряженность отношений внутри него. Однако на численность популяции каждого вида стрептомицетов оказывают.влияние взаимодействия с бактериальными популяциями.Из восьми классических типов взаимоотношений мокду популяциями для почвенных микроорганизмов непосредственно в почве достаточно полно описши только два.Так, комплекс почвенных микроорганизмов способен принять в себя новые популяции без видимой реакции со стороны собственло почвенного мтткготтаг.о.петгая, кок бы сохраняя нейтралитет (Кожев1Ш,198Э). Кроме

того, можот проявляться зф^окт комменсализма, когда микроорганиз-

мы-гидролитики. улучшают условия существования популяциям "нёспособ-"" ним самостоятельно разлагать полимеры. Проведенный нами анализ 10-и попарных сочетаний микроорганизмов выявил 4 типа взаимодействия: нейтрализм, амонсализм, комменсализм и кошенсализм-аыенс-ализм, причем нейтрализм, в условиях проведешшх нами экспериментов, но является преобладающим, в большинство случаев популяции взаимодействуют.

Результаты настоящей работы подтверждают положение общей экологии (0дум,197Б) о том, что при снопе условий среда типы отношений могут принципиально меняться: для двух бактериальных пойуллцлй зарегистрирована интенсивная гибель в присутствии стрэптокицота, К9гда простое увлалаюние дополняли вносониеы хитина. Кромо того, тин взаимодействия одной и той же поры популяций »{ОКОТ изгоняться п ходе сукцоссшг.

^ t Одним из сущоствотшх вопросов является скорость раакции одной популяции на присутствие другой. Наибольший оЭДйкт от взаимодействия: угнэтошо бактериальных популяций при оошэотном внзсе-нии в почву о шстшюмидатами наиболее ярко проявляется через дли-.толышй промежуток ирзмони (к Б0-80-шГсуткам 6тТтчала~эктэрн^~"' мента). Возможно по Солоо поздних стади/ях сукцоосии цоиболео выражено но непосредственное влитие популяций друг на друга, а оггосродовапноо, связанное с перестройками в структуре комплекса почвенная микрроргаиизмов, вызванными внесенном .чукэродшх популяций.

Однако в рогулящш численности микробных популяций, a в данном случае стрептомицотшх, в почве важную'роль могут играть не только кожнопуляциошшо, но и внутрипопуляциошшо процоссы.

13 раэото установлено, что процесс прорастания спор строптомн-цотов как у чистых культур lu его, так и при интродукции в носто-

иИЛЬП^у и ПОЧЕМУ ¿^¿ХТИ^.' Л1ГЗУ'>. ТСЛ С1С1">* I-Л-ТУ ТТТТТТГРТТу.Г

« кото^хглт 1ч"0л.5 т сыть о^зти зкт8 'рио оезк квк о у "улятоу'

ноэ ингиоироЕанпе, проявляющееся при среднем расстоянии мезоу акрами менее 15 икм.

Выявленный механизм регуляции очевидно необходимо учитывать при изучении микробостазисов, поскольку отсутствие прорастания спор при их внесении в почву может определяться не столько характеристиками среды, сколько высокой популяционной плотностью. Хотя го всей видимости, эти два фактора - недостаток питательных вещестй и ауторегуляцкя - действуют в природных условиях одновременно и (к трудно отделить один от другого.

В заключении отметил, что остается неясной относительная экологическая значимость выявленного механизма для стрептомицетов естественного микробного комплекса. Как следует из экспериментов интродуцируемыми популяциями, эффект формально должен проявляться если численность спор при их равномерном распределении в почве

о

превышает 10 спор/г почвы. Такие уровни обилия ооычно не характерны для почвенных стрептомицетов, однако, учитывая очаговый характер распределения микроорганизмов в почве, моию предполоякт!. что условия для проявления ауторегуляцки будут выполняться в отдельных микрозонах.

выводы

1. Динамика почвенных акт1шо;.п;цетов""п6дчп1яетгя определенным захо"? мерностям, т.е. данный комплекс представляет нечто большее, чем просто совокупность организмов и может рассматриваться как с00$~ щество с определенной организацией.

2. Наряду с традиционным подходом почвенной микробиологии,основанным на выделении и идентификации микроорганизмов, для характ'г^сти'-' кп комплекса актшюмицетов вводвны интегральные критерии( ер^мяг радиальная скорость роста и индекс разнообразия Шеннона),

которых позволяет судить об изменениях в структуре комплекса на разных стадиях микробной сукцессии.

3. 'Выявлены закономерности изменения структуры комплекса почвенных актиномицетов по обилию объектов с разными диапазонами скорости роста: на ранних этапах сукцессии происходит снижение индекса разнообразия и средней радиальной скорости роста, а в последующие сроки значения обоих показателей возрастают и стабилизируются, т.е. разнообразие актиномицетов по величинам Кр при переходе от "молодой" системы к "зрелой" увеличивается. Получены данные для оптимизации процедуры выделения актиномицетов с определенным: скоростями роста.

4. Кривые рангового распределения актиномицетов с определенными радиальными скоростями роста указывают на то, что взаимоотношения в комплексе почвенных актиномицетов, особенно при внесении хитина, характеризуются достаточно высокой конкурентной напряженностью. Предложенный подход также может использоваться для определения сукцессионшх этапов, оценки разнообразия актиномицетного комплекса к выяснения способа деления нишевого пространства.

5. Изучено взаимное влияние популяций стрептомицетов и бактерий в почве. Установлено, что тип отношений мокет изменяться в ходе сукцессии, а также при смене условий среды. Угнетение бактериальных популяций всегда наблюдается на поздних этапах сукцессии (50-80-е сутки).

6. Впервые установлено, что начальные этапы развития .спор стрептомицетов контролируются механизмами, связанными с популяционной плотностью. При уменьшении расстояния между спорами до 15 мкм, существенно сокращается доля прорастаниях спор. Явление имеет внутрипопуляционный характер и не зависит от присутствия спор других популяций. Прослежена зависимость взаимодействия от вида стрептомиизта, от типа почвы и стадии сукцессии.

-24-

По'материалом диссортацш опублтеоваш слодуидиэ работа: ■

X. Е.Г.Тригер.Измененио структуры комплекса почвенных вктинсмицо-тов в -ходо микробной сукцессии//Вэстншс ЛГУ.-1986.-сэр.3.биол., D.I.-0.117/Гонозис,' плодородно и охрана почв (12 меквуз. конф.).

2. Л.М.Полянская, Е.Г.Тригор, П.А.Коковин, Д.Г.Звягинцев. Кинвти-чоскоо списапиэ структуры комплекса почвенных актином;а;етов// Микробиология.-1933.-Т.Б7. D.Б.-0.054-859.

0. Е.Г.Тригор. Сукцосслошпго изменения в гсомплокйо почвойшх актя-псмицетов/ЛЗиодгатмика почв/Ш Всосогози. симп. (Таллинн, 1938).-ОЛбв. :

4. Е.Г.Тригор, Л.М.Полянская. Взаимодействие микробных популяций в почвэ//Экология популлций/Всосоюзн. совещ. (Новосибирск, IS88).-С.194-196. ' •

Б. Е.Г.Тригор, Л.М.Полянская, П.А.КожовшиМенмикробные взаимодействия в почво (на примере некоторых популяций стрептомицэтсз и бактерий)//Микробиология.- 1990.- Т.59, В.4,- С. 6ZZ'f>C4

6. Л.М.Полянская, Е.Г.Тригор, П.А.Кокевин, Д.Г.Звягинцев.Механизмы регуляции числэгагости почвошшх стрептомицетов//Структура и фупкционировашго сообществ почвенных организмов под антропогенной иагрузк^й/Intern. conf.(Cooks Budojovlce, 1990).- 0.115.

7. Л,М.Полянская, Е.Г.Тригор. П.А.Копевин. Д.Г.Звягинцев. Ауторэ-гуляция прорастс1Шя спор стрвптошщотов//Докладц АН СССР (в по-

.■ чати, 1990).

8. Е.Г.Тригор, Л.М.Полянская, П.А.Кожовин, Д.Г.Звягинцев. Ауторо-гуляция прорастать спор строптомицотов в боДных и богатых сро-дах/Д!икробиология (в печати).