Взаимодействие ассоциативных бактерий и растений в зависимости от биотических и абиотических факторов

• Автор: Белимов, Андрей Алексеевич
• Шифр специальности: 03.00.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 356 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ .

1.1. Ризосфера как зона взаимодействия растений и микроорганизмов

1.2. Механизмы положительного воздействия ассоциативных бактерий на растения .

1.2.1. Азотфиксация

1.2.2. Продукция биологически активных веществ .

1.2.3. Воздействия на минеральное питание

1.2.4. Биоконтроль фитопатогенов .

1.3. Взаимодействие растений с бактериями, содержащими фермент 1аминоциклопронан1карбоксилат АЦК деаминазу .
1.3.1. Механизмы регуляции роста растений посредством бактериального фермента АЦК дсаминазы .
1.3.2. Распространение АЦК деаминазы у микроорганизмов .
1.3.3. Характеристика фермента и генов АЦК деаминазы .
1.3.4. Роль АЦК деаминазы во взаимодействии клубеньковых бактерий с бобовыми растениями
1.4. Эффективность инокуляции небобовых растений смешанными культурами ассоциативных бактерий
1.5. Взаимодействие интродуцируемых бактерий с ризосферной микрофлорой
1.6. Активная колонизация корней как критерий селекции эффективных штаммов ассоциативных бактерий
1.7. Устойчивость почвенных бактерий к неблагоприятным факторам .
1.7.1. Кислотность среды
1.7.2. Недостаток влаги .
1.7.3. Токсичность тяжелых металлов .
1.8. Взаимодействие ассоциативных бактерий и растений
в стрессовых условиях .
1.8.1. Экстремальная температура среды
1.8.2. Повышенная кислотность почвы
1.8.3. Дефицит влаги
1.8.4. Загрязнение почвы тяжелыми металлами .
1.9. Заключение к обзору литературы .
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ .
2.1. Состав питательных сред для культивирования бактерий
2.2. Изоляция штаммов бактерий доминирующих в ризосфере проростков растений
2.3. Идентификация выделенных штаммов бактерий.
2.4. Активность АЦК деаминазы бактерий.
2.5. Продуцирование индолов бактериями.
2.6. Нитрогеназиая аце гиленредуктазная активность бактерий в
периодической культуре и на корнях растений
2.7. Продуцирование этилена бактериями.
2.8. Продуцирование сидсрофоров бактериями.
2.9. Растворение фосфатов бактериями.
2 Цитокининовая активность бактерий
2 Содержание белка в бактериях.
2 Устойчивость бактерий к тяжелым металлам.
2 Иммобилизация кадмия бактериями
2 Устойчивость бактерий к ионам Н и А
2 Бактериостатичсская активность.
2 Получение мутантов бактерий дефектных по активности АЦК деаминазы
2 Численность интродуцированных популяций бактерий на корнях растений и в почве.
2 Гнотобиотичсскис растительнобактериальные системы.
2 Влияние бактерий на кислотоустойчивость ячменя в гидропонике.
2 Вегетационные опыты.
2 Полевые опыты.
2 Использование изотопов Ы и Р
2 Определение неорганического фосфата Р, в растениях
2 Анализ общего содержания питательных элементов и тяжелых металлов в растениях и почве
2 Определение содержания АЦК и АБК в ксилемном соке
растений.ИЗ
2 Математическая обработка данных.
3. ЗНАЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АССОЦИАТИВНЫХ БАКТЕРИЙ В РИЗОСФЕРЕ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНОКУЛЯЦИИ РАСТЕНИЙ
3.1. Ассоциации ннтродуцируемых бактерий, обладающих аддитивным эффектом на питание и рост растений
3.1.1. Задачи исследований
3.1.2. Результаты.
3.1.3. Обсуждение.
3.2. Роль взаимодействия ннтродуцируемых бактерий с аборигенной микрофлорой ризосферы в реакции
растений на инокуляцию
3.2.1. Задачи исследований
3.2.2. Результаты.
3.2.3. Обсуждение.
3.3. Популяционное доминирование в ризосфере прорастающих семян как критерий селекции ростстимулирующих бактерий.
3.3.1. Задачи исследований
3.3.2. Результаты.
3.3.3. Обсуждение.
4. РОЛЬ РИЗОБАКТЕРИЙ, СОДЕРЖАЩИХ ФЕРМЕНТ АЦК ДЕАМИНАЗУ, В УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ
К АБИОТИЧЕСКИМ СТРЕССАМ
4.1. Выделение и характеристика устойчивых к кадмию ассоциативных бактерий содержащих АЦК деаминазу
4.1.1. Задачи исследований.
4.1.2. Результаты
4.1.3. Обсуждение
4.2. Взаимодействие АЦКутилизирующих бактерий с растениями
в стрессовых условиях, вызванных токсичностью кадмия
4.2.1. Задачи исследований.
4.2.2. Результаты
4.2.3. Обсуждение
4.3. Зависимость эффекта АЦКутилизирующих бактерий
от уровня минерального питания растений
4.3.1. Задачи исследований.
4.3.2. Результаты
4.3.3. Обсуждение
4.4. Роль бактериальной АЦК деаминазм в реакции растений
на дефицит почвенной влаги
4.4.1. Задачи исследований.
4.4.2. Результаты
4.4.3. Обсуждение
5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ШТАММОВ АССОЦИАТИВНЫХ БАКТЕРИЙ С РАСТЕНИЯМИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ АГРОКЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
5.1. Экстремальные температуры среды
5.1.1. Задачи исследований.
5.2.2. Результаты
5.3.3. Обсуждение
5.2. Повышенная кислотность почвы .
5.2.1. Задачи исследований.
5.2.2. Результаты
5.2.3. Обсуждение
5.3. Дефицит почвенной влаги
5.3.1. Задачи исследований.
5.3.2. Результаты
5.3.3. Обсуждение
5.4. Загрязнение почвы тяжелыми металлами .
5.4.1. Задачи исследований.
5.4.2. Результаты
5.4.3. Обсуждение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
БЛАГОДАРНОСТИ .
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ


Активизация биосинтеза АЦК и этилена является неспецифической реакцией растений на различные стрессы, например недостаток влаги, токсичные концентрации тяжелых металлов и инфекцию фитопатогенными микроорганизмами , , i i, . В стрессовых условиях этилен действует как негативный регулятор ростовых процессов, однако ингибирование роста растения этиленом часто может происходить и в отсутствии стресса. Это может быть результатом аккумуляции этилена в зоне корня изза его замедленной диффузии, присутствия в почве повышенных концентраций этилена например, микробного происхождения, а также функции этого гормона как компонента саморегуляции метаболизма растения. Следует также отметить существенную вариабельность видов растений, как по чувствительности, так и по интенсивности биосинтеза этилена. Впервые фермент АЦК деаминаза был обнаружен и изучен у бактерии . Затем АЦК деаминаза была также выделена из грибов iii ii , . В дальнейшем интерес к этому ферменту был во многом связан с открытием нового механизма растительнобактериального взаимодействия, который заключается в способности некоторых бактерий снижать концентрацию фитогормона этилена в растениях благодаря наличию АЦК дсаминазы и этим снижать ингибирующий эффект этилена на рост растений. Способность ризосферных бактерий стимулировать рост корней растений благодаря наличию АЦК деаминазы была впервые описана профессором Гликом и его коллегами i . Доказательством участия АЦК деаминазы в стимуляции удлинения корней проростков в данных экспериментах было отсутствие эффекта при инокуляции дефектными по активности этого фермента мутантами i . АВГ, химическим ингибитором АЦК синтазы . Аналогичные результаты позднее были получены со штаммом . В этих исследований Глик с соавторами предложили модель, которая описывает механизм этого растительнобактериального взаимодействия i . Известно, что аминокислота АЦК входит в состав корневых экссудатов наряду с другими низкомолекулярными соединениями, и растение поддерживает определенный баланс концентраций этого вещества внутри и вне тканей. При этом концентрация АЦК в ризосфере может достигать нескольких милимолей i, . Согласно модели Глика Рис. АЦК в качестве источника азотного питания, утилизируя аммоний, образовавшийся в результате реакции дсаминирования. Для поддержания равновесия концентраций растение увеличивает отток АЦК из корней в ризосферу, что приводит к снижению е концентрации и соответственно интенсивности биосинтеза этилена в корнях. Рис. КВ
Источник Источник азота углерода. Обозначения ИУК, индолилуксусная кислота аКВ, акстобутират. Это способствует подавлению ингибирующего эффекта этилена на рост растения. Кроме того, многие АЦКутилизирующие бактерии продуцируют фитогормон ИУК, который, проникая в растение, может стимулировать растяжение и деление клеток корня, благодаря чему достигается дополнительный положительный эффект бактерий на рост растения. Ьметионин в АЦК. Поэтому под действием бактериальной ИУК растение синтезирует больше АЦК, которая может быть выделена в ризосферу и использована бактериями для питания. Таким образом, бактерии, содержащие АЦК деаминазу, обеспечивают себя уникальным источником питания в ризосфере, что возможно играет существенную роль в их способности конкурировать в этой среде с другими микроорганизмами. Получены интересные данные подтверждающие вышеизложенные рассуждения о взаимодействии ИУК и АЦК деаминазы. Так мутант штамма . ИУК стимулировал рост корней рапса в меньшей степени, чем дикий тип i, , а мутант суперпродуцент ИУК ингибировал рост корней, вероятно за счет стимуляции активности АЦК синтазы и повышения биосинтеза этилена растением Xi . Теоретический анализ кинетики процессов транспорта АЦК в ризосферу и конкуренции за субстрат между бактериальной АЦК деаминазой и растительной АЦК оксидазой показал, что активное потребление АЦК бактериями может происходить при относительно высокой скорости переноса АЦК из корня в ризосферу и быстрой индукции АЦК деаминазы у бактерий, что согласуется с экспериментальными данными i . Снижение концентрации АЦК в корнях было зарегистрировано при инокуляции рапса АЦКутилизирующими штаммами . АЦК деаминазы .