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

Известно, что почвенные микроорганизмы активно взаимодействуют с растениями и могут оказывать как положительные, так и отрицательные эффекты на их рост и питание. Основываясь на знаниях о взаимодействии растительно-бактериальных ассоциаций и примерах улучшения роста и питания растений посредством инокуляции полезными формами микроорганизмов, нами была изучена роль некоторых биотических и абиотических факторов в растительно-бактериальных взаимодействиях и оценена возможность применения ассоциативных бактерий для повышения устойчивости растений к различным стрессовым факторам. Во-вторых, перечисленные выше положительные эффекты ассоциативных бактерий затрагивают именно те процессы метаболизма растений и их взаимодействия с окружающей средой, которые нарушаются при стрессе. Особое внимание уделялось изучению преимуществ, которые растения получают при образовании эффективных ассоциаций с полезными микроорганизмами для противостояния негативным воздействиям окружающей среды, и механизмов интеграции растений с микроорганизмами в ризосфере в зависимости от внешних условий. Выделить и охарактеризовать группу бактерий, доминирующих в ризосфере проростков растений, по их влиянию на рост растений и коллекционных штаммов ростстимулирующих бактерий.Образование ассоциаций интродуцента с микрофлорой, ингибирующей рост растений, а также антагонизм интродуцента к полезным формам аборигенных бактерий искажает ожидаемую реакцию растений на инокуляцию. Уровень минерального питания растений оказывает существенное влияние на реакцию растений на инокуляцию бактериями содержащими АЦК деаминазу. Стимуляция роста растения происходит (1) в присутствии доступного фосфора, который обеспечивает высокий уровень гормона этилена в корнях, и (2) при отсутствии избытка доступного азота в виде аммония, который ингибирует активность фермента АЦК деаминазы, Дефицит фосфора для растений и избыток доступного азота для бактерий могут нарушать растительно-бактериальное взаимодействие, которое приводит к ограничению или нивелированию положительного действия АЦК-утилизирующих бактерий на растения. Различия в популяционных кривых выживаемости производственных штаммов в ризосфере и почве, а также корреляция между численностью интродуцента и его эффектом на растения в зависимости от условий роста растений служат доказательствами активной роли растения в формировании ассоциаций с полезными формами ризобактерий при неблагоприятных условиях среды. Такое воздействие бактерий может быть направлено на регуляцию роста и метаболических процессов в растении, а также на благоприятные для растений изменения в окружающей растение среде.

1. Совместная инокуляция растений производственными штаммами Az. lipoferum 137 и Ag. radiobacter 10 превосходит по эффективности инокуляцию отдельными штаммами. Данные штаммы образуют ассоциацию в периодической культуре и при интродукции в ризосферу. Механизмами аддитивных и синергических эффектов смеси данных штаммов являются активизация и сбалансированность минерального питания растений за счет интенсивного поглощения азотных и фосфорных удобрений, а также повышенная азотфиксирующая активность и лучшая приживаемость Az. lipoferum 137 на корнях.

2. При интродукции на семена производственные штаммы Az. lipoferum 137, Ag. radiobacter 10, Ar. mysorens 7 и Flavobacterium sp. Л30 способны активно колонизировать корни различных видов и сортов сельскохозяйственных растений, выращиваемых в различных почвах и климатических условиях. Установлены детерминированные штаммом сходства популяционной динамики и различия в численности популяций на корнях инокулированных растений, что позволяют оценить экологическую пластичность и адаптационный потенциал ризобактериальных интродуцентов по таким характеристикам как «буферность» и эврибионтность популяций. Однако активная колонизация ризосферы ростостимулирующим штаммом не является достаточным условием реализации его положительного действия на растение.

3. Интродуцируемые ассоциативные бактерии активно вступают в конкурентные и в меньшей степени симбиотические взаимодействия с аборигенной почвенной микрофлорой. Приживаемость в ризосфере и эффективность инокуляции во многом зависит от устойчивости интродуцента к воздействию аборигенных микроорганизмов. Образование ассоциаций интродуцента с микрофлорой, ингибирующей рост растений, а также антагонизм интродуцента к полезным формам аборигенных бактерий искажает ожидаемую реакцию растений на инокуляцию.

4. Скрининг штаммов ассоциативных ростостимулирующих бактерий по признаку доминирования популяции в культурабельном бактериальном сообществе ризосферы прорастающих в почве семян является перспективным приемом для обнаружения интродуцентов с высокой колонизирующей способностью. Предложенный метод позволил селектировать высокоэффективные штаммы Arthrobacter sp. ДР12, Sinorhizobium sp. ДР65 и V. paradoxus 5C-2, которые обладают высокой колонизирующей активностью.

5. Во всех использованных нами почвах, отвалах горных пород и осадках сточных вод различного типа и географического положения присутствуют устойчивые к тяжелым металлам ростстимулирующие бактерии, содержащие фермент АЦК деаминазу и способные активно колонизировать корни прорастающих семян. Изолированные бактерии относятся к различным таксономическим группам, при этом впервые наличие АЦК деаминазы описано нами у видов Achromobacter xylosoxidans, Pseudomonas brassicacearum, Pseudomonas marginalis, Rhodococcus sp. и Variovorax paradoxus.

6. Инокуляция производственными штаммами и вновь выделенными ризобактериями, содержащими АЦК деаминазу, повышает устойчивость растений к токсичности тяжелых металлов, таких как кадмий и свинец. Степень антистрессового эффекта бактерий существенно варьирует в зависимости от штамма, генотипа растения и токсиканта. Важными механизмами ростостимулирующего эффекта бактерий в условиях токсичности тяжелых металлов являются: (1) стимуляция роста растений благодаря продуцированию бактериями ауксинов и снижению негативных этилен-зависимых реакций растения на стресс посредством АЦК деаминазной активности; (3) иммобилизации бактериями токсикантов в прикорневой зоне; (4) снижение ингибирующего действия металлов на потребление питательных элементов инокулированными растениями за счет стимуляции роста корней и активизации процессов ассимиляции или мобилизации элементов.

7. Инокуляция изучаемыми ассоциативными бактериями, как правило, не приводит к повышению содержания токсичных тяжелых металлов в растениях, а в некоторых случаях противодействует аккумуляции этих элементов в надземных органах. Для интенсификации процесса фитоэкстракции тяжелых металлов с помощью ассоциаций растений и ростстимулирующих бактерий необходимо разрабатывать дополнительные приемы и средства, направленные на мобилизацию металлов в ризосфере.

8. Уровень минерального питания растений оказывает существенное влияние на реакцию растений на инокуляцию бактериями содержащими АЦК деаминазу. Стимуляция роста растения происходит (1) в присутствии доступного фосфора, который обеспечивает высокий уровень гормона этилена в корнях, и (2) при отсутствии избытка доступного азота в виде аммония, который ингибирует активность фермента АЦК деаминазы, Дефицит фосфора для растений и избыток доступного азота для бактерий могут нарушать растительно-бактериальное взаимодействие, которое приводит к ограничению или нивелированию положительного действия АЦК-утилизирующих бактерий на растения.

9. Изучаемые штаммы АЦК-утилизирующих бактерий растворяют малодоступные фосфаты in vitro на питательных средах, однако не повышают потребление фосфора растениями из почвы. Поэтому роль мобилизации фосфатов данными бактериями в их ростостимулирующем эффекте на инокулированные растения несущественна.

10. Эффективность инокуляции ячменя производственными штаммами варьирует в зависимости от температуры среды, при этом положительный эффект бактерий на рост растений может быть достигнут при пониженных и повышенных температурах. Установлено, что для каждого из штаммов имеются особенности во взаимодействии с растением, обусловленные влиянием температуры. Популяции интродуцированных бактерий в ризосфере легко адаптируются к экстремальным температурам.

11. Производственные штаммы ассоциативных бактерий, за исключением Az. lipoferum 137, способны развиваться в кислой среде при РН=4,5 и устойчивы к относительно высоким концентрациям ионов Al 3. Направленность бактериального эффекта на рост растений в почвах с повышенной кислотностью существенно варьирует от положительной до отрицательной в зависимости от генотипа растения и, возможно, от особенностей реакции сортов на кислотный стресс.

12. Ассоциативные бактерии повышают адаптацию растений к стрессу, вызванному дефицитом влаги в почве, стимулируя рост корней и увеличивая доступ к дополнительным ресурсам находящейся в почве влаги. В этих условиях АЦК-утилизирующие бактерии способны стимулировать рост корней за счет регуляции уровня этилена. Снижение концентрации сигнальной молекулы АЦК в ксилемном соке инокулированных растений указывает на присутствие не только локального эффекта АЦК деаминазы на корни, но и на индукцию системного антистрессового эффекта. Концентрация гормона абсцизовой кислоты при этом остается высокой, что ограничивает потери воды листьями за счет транспирации.

13. Различия в популяционных кривых выживаемости производственных штаммов в ризосфере и почве, а также корреляция между численностью интродуцента и его эффектом на растения в зависимости от условий роста растений служат доказательствами активной роли растения в формировании ассоциаций с полезными формами ризобактерий при неблагоприятных условиях среды.

14. Инокуляция гороха АЦК-утилизирующими бактериями стимулирует образование азотфиксирующих клубеньков на корнях. Данный эффект в большей степени проявился в стрессовых условиях ингибирования клубенькообразования дефицитом влаги. Поэтому положительное действие ассоциативных бактерий, содержащих АЦК деаминазу, на симбиоз бобовых растений с клубеньковыми бактериями является важным механизмом их антистрессового эффекта.

15. Вероятность получения положительного ростостимулирующего эффекта от инокуляции ассоциативными бактериями выше в таких условиях, в которых рост растений лимитирован некоторыми биотическими или абиотическими факторами. При этом необходимыми условиями реализации ростостимулирующего эффекта являются устойчивость бактерий к данному фактору и способность бактерий противодействовать негативному проявлению этих факторов. Такое воздействие бактерий может быть направлено на регуляцию роста и метаболических процессов в растении, а также на благоприятные для растений изменения в окружающей растение среде.

Список основных публикаций по материалам диссертации

1. Белимов А.А., Кожемяков А.П. Смешанные культуры азотфиксирующих бактерий и перспективы их использования в земледелии // Сельскохозяйственная биология. - 1992. № 5. - С. 77-87.

2. Кожемяков А.П., Белимов А.А. Эффективность препаратов корневых диазотрофов при бактеризации ярового рапса // Агрохимия. - 1994. № 7-8. - С. 62-67.

3. Белимов А.А., Поставская С.М., Хамова О.Ф., Кожемяков А.П., Кунакова А.М., Груздева Е.В. Приживаемость и эффективность корневых диазотрофов при инокуляции ячменя в зависимости от температуры и влажности почвы // Микробиология. - 1994. Т. 63. - С. 900-908.

4. Белимов А.А., Иванчиков А.Ю., Воробьев Н.И. Роль доминирующей микрофлоры ризопланы ячменя во взаимодействии интродуцируемых диазотрофов с растением // Микробиология. - 1998. Т. 67. - С. 409-415.

5. Белимов А.А., Кунакова А.М., Груздева Е.В. Влияние РН почвы на взаимодействие ассоциативных бактерий с ячменем // Микробиология. - 1998. Т. 67. - С. 561-568.

6. Белимов А.А., Серебренникова Н.В., Степанок В.В. Взаимодействие ассоциативных бактерий и эндомикоризного гриба с ячменем при совместной инокуляции // Микробиология. - 1999. Т. 68. - С. 122-126.

7. Белимов А.А., Иванчиков А.Ю., Юдкин Л.Ю., Хамова О.Ф., Поставская С.М., Поползухина П.В., Шмакова А.А., Козлова Г.Я. Характеристика и интродукция новых штаммов ассоциативных ростстимулирующих бактерий, доминирующих в ризоплане проростков ячменя // Микробиология. - 1999. Т. 68. - С. 392-397.

8. Тихонович И.А., Круглов Ю.В., Кожемяков А.П., Пароменская Л.Н., Белимов А.А., Борисов А.Ю. Микробиологические аспекты восстановления техногенно загрязненных почв и повышения качества сельскохозяйственной продукции // Достижения науки и техники АПК. - 2002. № 10. - С. 8-11.

9. Белимов А.А., Кунакова А.М., Сафронова В.И., Степанок В.В., Юдкин Л.Ю., Алексеев Ю.В., Кожемяков А.П. Использование ассоциативных бактерий для инокуляции ячменя в условиях загрязнения почвы свинцом и кадмием // Микробиология. - 2004. Т. 73. - C. 118-125.

10. Hontzeas N., Richardson A.O., Belimov A.A., Safronova V.I., Abu-Omar M.M., Glick B.R. Evidence for horizontal transfer of 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase genes // Applied and Environmental Microbiology. - 2005. Vol. 71. - P. 7556-7558.

11. Belimov A.A., Dodd I.C., Safronova V.I., Hontzeas N., Davies W.J. Pseudomonas brassicacearum strain Am3 containing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase can show both pathogenic and growth-promoting properties in its interaction with tomato // J. Exp. Botany - 2007. Vol. 58. - P. 1485-1495.

12. Белимов А.А., Кожемяков А.П. Динамика нитрогеназной активности и продуктивность ячменя, инокулированного корневыми диазотрофами // Бюллетень ВНИИСХМ. - 1988. № 51. - С. 26-30.

13. Иванов Н.С., Белимов А.А. Влияние фунгицидов на рост ассоциативных азотфиксаторов и эффективность инокуляции ими ячменя // Труды ВНИИСХМ. - 1989. Т. 59. - С. 92-96.

14. Воробьев Н.И., Белимов А.А., Кожемяков А.П. Применение дисперсионного анализа в изучении механизма взаимодействия растений и корневых диазотрофов (программа для ЭВМ "Диана-3") // Бюллетень ВНИИСХМ. - 1989. № 52. - С. 6-12.

15. Кожемяков А.П., Белимов А.А. Перспективы использования ассоциаций азотфиксирующих бактерий для инокуляции важнейших сельскохозяйственных культур // Труды ВНИИСХМ. - 1991. Т. 61. - С. 7-18.

16. Belimov A.A., Kunakova A.M., Gruzdeva E.V., Vasilyeva N.D., Vorobyev N.I., Kojemyakov A.P., Khamova O.F., Postavskaya S.M., Sokova S.M. Relationship between survival rates of associative nitrogen fixers on roots and yield response of plants to inoculation // FEMS Microbiology Ecology. - 1995. Vol. 17. - P. 187-196.

17. Belimov A.A., Kozhemyakov A.P., Chuvarliyeva G.V. Interaction between barley and mixed cultures of nitrogen fixing and phosphate solubilizing bacteria // Plant and Soil. - 1995. Vol. 173. - P. 29-37.

18. Belimov A.A., Kunakova A.M., Alekseyeva E.G., Martsinkevitch O.N., Kojemyakov A.P. Survival of associative fitrogen fixers in rhizoplane as a criterion for estimation of their effect on the inoculated plants // “Azospirillum and related microorganisms”. Eds: Fendric I. et al., NATO AS Series. - 1995. - P. 535-542.

19. Belimov A.A., Kunakova A.M., Vasilyeva N.D., Kovatcheva T.S., Dritchko V.F., Kuzovatov S.N., Trushkina I.R., Alekeyev Y.V. Accumulation of radionuclides by associative bacteria and the uptake of 134Cs by the inoculated barley plants // “Nitrogen Fixation with Non-Legumes”. Eds: K.A. Malik et al., Kluw. Acad. Publ. - 1998, - P. 275-280.

20. Belimov A.A., Dietz K.-J. Effect of associative bacteria on element composition of barley seedlings grown in solution culture at toxic cadmium concentrations // Microbiological Research. - 2000. Vol. 155. - P. 113-121.

21. Belimov A.A., Safronova V.I., Sergeyeva T.A., Egorova T.N., Matveyeva V.A, Tsyganov V.E., Borisov A.Y., Tikhonovich I.A., Kluge C., Preisfeld A., Dietz K.-J., Stepanok V.V. Characterisation of plant growth-promoting rhizobacteria isolated from polluted soils and containing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase // Canadian Journal of Microbiology. - 2001. Vol. 47. - P. 642-652.

22. Belimov A.A., Safronova V.I., Mimura T. Response of spring rape to inoculation with plant growth-promoting rhizobacteria containing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase depends on nutrient status of the plant // Canadian Journal of Microbiology. - 2002. Vol. 48. - P. 189-199.

23. Dodd I.C., Belimov A.A., Sobeih W.Y., Safronova V.I., Grierson D., Davies W.J. Will modifying plant ethylene status improve plant productivity in water-limited environments? // Proc. 4th Int. Crop Sci. Congress. - 26 Sept.-1 Oct., Brisbane, Australia, 2004. - 6 p., http://www.cropscience.org.au.

24. Belimov A.A., Hontzeas N., Safronova V.I., Demchinskaya S.V., Piluzza G., Bullitta S., Glick B.R. Cadmium-tolerant plant growth-promoting bacteria associated with the roots of Indian mustard (Brassica juncea L. Czern.) // Soil Biology and Biochemistry. - 2005. Vol. 37. - P. 241-250.

25. Safronova V.I., Stepanok V.V., Engqvist G.L., Alekseyev Y.V., Belimov A.A. Root-associated bacteria containing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase improve growth and nutrient uptake by pea genotypes cultivated in cadmium supplemented soil // Biology and Fertility of Soils. - 2006. Vol. 42. - P. 267-272.

26. Dodd I.C., Davies W.J., Belimov A.A., Safronova V.I. Manipulation of soil:plant signalling networks to limit water use and sustain plant productivity during deficit irrigation - a review // Acta Horticulturae. -2008. Vol. 792. - P. 233-239.

27. Belimov A.A., Dodd I.C., Hontzeas N., Theobald J.C., Safronova V.I., Davies W.J. Rhizosphere bacteria containing ACC deaminase increase yield of plants grown in drying soil via both local and systemic hormone signalling // New Phytologist. - 2008. (in Press).

Размещено на .ru

По материалам диссертации опубликовано 58 печатных работ, из которых 11 статей в международных рецензируемых журналах, 9 статей в отечественных рецензируемых журналах, 12 статей в сборниках и трудах конференций, и 26 тезисов докладов на конференциях. бактерия ростстимулирующий абиотический стресс

2. Содержание диссертации