Автореферат (Эндофитные сообщества сфагновых мхов как источник бактерий - эффективных ассоциантов сельскохозяйственных культур)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиЩЕРБАКОВАндрей ВасильевичЭНДОФИТНЫЕ СООБЩЕСТВА СФАГНОВЫХ МХОВ КАК ИСТОЧНИКБАКТЕРИЙ – ЭФФЕКТИВНЫХ АССОЦИАНТОВСЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР03.02.03 - МикробиологияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата биологических наукСанкт-Петербург - 2014Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийскомнаучно-исследовательском институте сельскохозяйственной микробиологииРоссийской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИСХМ Россельхозакадемии)Научный руководитель:кандидат биологических наукЧеботарь Владимир Кузьмич (ГНУ ВНИИСХМРоссельхозакадемии)Официальные оппоненты:д.б.н., проф., зав.

кафедрой микробиологииСопрунова О.Б. (Астраханский ГТУ, г. Астрахань)к.б.н., с.н.с лаборатории гидробиологииКапустина Л.Л. (Институт озероведения РАН, г. Санкт-Петербург)Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийскийнаучно-исследовательский институт защиты растений (ГНУ ВИЗР)Защита состоится « _»____ 2014 г. в __ часов на заседании диссертационного совета ДМ212.232.07 по защите докторских и кандидатскихдиссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете поадресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, Биологопочвенный факультет, аудитория ……С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. М.

Горького СанктПетербургского государственного университета.Автореферат разослан «»2014 г.Ученый секретарьдиссертационного советаЕ.И.Шарова1ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы. К настоящему времени в литературе накоплен достаточно обширный материал о бактериях, ассоциированных с высшими растениями испособных стимулировать их рост и развитие за счет синтеза необходимых для растенияфитогормонов и витаминов, фиксации молекулярного азота, а также подавлять развитиебактериальных и грибных заболеваний. Клеппером с соавт. (Kloepper et al., 1980) дляобозначения такой группы бактерий был предложен термин PGPR (от англ. plant growthpromoting rhizobacteria), который включает почвенные микроорганизмы, активно колонизирующие ризосферу и ризоплану растений и стимулирующие их рост.

Однако, впоследнее время появилось большое число работ, касающихся эндофитных бактерий(Stępniewska, Kuźniar, 2013; Nair, Padmavathy, 2014; Brader et al., 2014). В данной работемы придерживались именно классического определения термина «эндофитные бактерии», который включает в себя микроорганизмы, населяющие внутренние ткани здоровых растений, не вызывающие морфологические изменения и не несущие какого либовреда для хозяина (Holliday, 1989; Schulz, 2006). Эндофитные бактерии были обнаружены внутри тканей и семян важнейших сельскохозяйственных культур, таких как рис(Baldani et al., 2000; Okunishi et al., 2005), кукуруза (McInroy et al., 1995; Rijavec et al.,2007), хлопок (Misaghi, Donndelinger, 1990), картофель (Sturz et al., 1998; Krechel et al.,2002), сахарный тростник (Rennie et al., 1982), пшеница (Чеботарь с соавт., 2010; Щербаков с соавт., 2013) и др. Есть предположение, что поддержание эндофитных сообществмикроорганизмов является универсальным свойством всех растений (Hallmann et al.,1997).Однако, сведения о бактериях, стимулирующих рост и развитие растений, и ассоциированных со сфагновыми мхами, отсутствовали в литературе до настоящего времени.

Специфическое строение внутренних тканей сфагновых мхов, представляющее изсебя сочетание живых хлорофиллоносных и мертвых гиалиновых клеток, позволяетприменить термин «эндофит» для представителей микробных сообществ, локализованных внутри этих растений.Ранее, в работах австрийских исследователей группы проф. Берг (Opelt, Berg,2004; Opelt et al., 2007; Bragina et al., 2012) было показано, что зеленые части растенийсфагнума являются особыми местообитаниями для бактерий, которые, предположительно, играют важную роль как в жизни сфагнов, так и в функционировании болотныхэкосистем в целом. Проведенный молекулярный анализ микробных сообществ, ассоциированных со сфагновыми мхами, показал, что до 97% всех клонированных последовательностей генов 16S рРНК могли принадлежать некультивируемым формам микроорганизмов.

Таксономическое положение и соотношение наиболее многочисленных группмикроорганизмов варьировали в зависимости от вида мха. Исследования были сфокусированы на азотфиксирующих бактериях, которые играли ключевую роль в условияхдефицита элементов минерального питания для растений-хозяев.Какова же роль эндофитных бактерий, ассоциированных со сфагновымимхами, в функционировании растений и формировании болотных экосистем?Одной из научных гипотез данной работы стало предположение о том, что уникальная антимикробная активность сфагнов и их экстрактов (Буркина с соавт.,2000; Белоусов с соавт., 2008) связана именно с деятельностью эндофитных бактерий, населяющих их ткани.

Кроме того, эндофитные бактерии, населяющиеткани сфагновых мхов, и относящиеся к группе стимуляторов роста растений,возможно, продуцируют метаболиты, оказывающие регуляторное влияние на2рост и развитие сфагновых мхов. Аналогичный тип симбиоза был продемонстрирован для метан-окисляющих микроорганизмов, колонизирующих внешнийкортекс стеблей Sphagnum cuspidatum Hoffm. (Raghoebarsing et al., 2005) иснабжающих растение углеродом, полученным при ассимиляции метана, а такжедля азотфиксирующих цианобактерий (Solheim and Zielke, 2003), поставляющихдля растений азот.В настоящее время ассоциации растений с полезными микроорганизмами привлекают внимание ученых с точки зрения не только изучения фундаментальных основвзаимодействия различных организмов, но и возможного использования данных взаимодействий в практике экологически ориентированного адаптивного растениеводства.Современное высокоэффективное сельское хозяйство невозможно без примененияудобрений и средств защиты растений, а использование микробиологических препаратов и удобрений является одной из современных тенденций сельскохозяйственногопроизводства.Использование биологического потенциала микроорганизмов, населяющих корни и внутренние ткани бобовых и небобовых растений, позволяет создавать такие высокоэффективные микробные препараты и удобрения (Schippers, 1995; Тихонович с соавт.,2005; Чеботарь с соавт., 2007).

В последнее время, в мировой практике разработан рядмикробиологических препаратов, основу которых составляют полезные штаммы эндофитных и ризобактерий из родов Azospirillum, Pseudomonas, Bacillus, Herbaspirillum,Acetobacter (Graner et al., 2003; Compant et al., 2005; Chebotar et al., 2009). Было показано,что инокуляция небобовых растений ризобактериями способна значительно увеличитьпродуктивность растений и качество с/х продукции (Okon, Labandera-Gonzalez, 1994). Внекоторых случаях применение микробиологических препаратов позволяло защититьрастения от болезней, заменяя таким образом, химические пестициды (Weller, 1988;Chebotar et al., 2009).

Разработка микробных препаратов и удобрений на основе эндофитных бактерий к настоящему времени является одним из основных направлений развития с/х микробиологии.Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы – изучение пространственной локализации и выделение эндофитных бактерий растений сфагновых мховразличного видового состава и разных мест обитания, изучение таксономического состава бактериальных популяций, их фенотипических свойств, а также отбор перспективных штаммов с комплексом хозяйственно-ценных свойств для дальнейшего создания на их основе высокоэффективных микробиологических препаратов для растениеводства.В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие задачи:1.

Изучение пространственной локализации эндофитных бактерий внутри растений мхов двух видов - Sphagnum fallax (H. Klinggr.) H. Klinggr. и S. magellanicum Brid изразличных географических регионов (Австрийские Альпы, Ленинградская область, Западная Сибирь).2. Выделение эндофитных бактерий из растений мхов, изучение таксономического состава эндофитных бактериальных популяций, их культуральноморфологических и физиолого-биохимических свойств.3.

Отбор перспективных штаммов, обладающих хозяйственно-ценными свойствами: фунгицидной, бактерицидной, ростстимулирующей, ферментативной активностью.34. Выявление способности перспективных штаммов бактерий активно колонизировать сельскохозяйственные культуры и оказывать положительное влияние на их рости развитие путем стимуляции роста, фиторпротекторных и других механизмов.5. Наработка лабораторных образцов микробиологических препаратов на основеперспективных штаммов и их апробация в вегетационных и полевых экспериментах.Научная новизна. Впервые (в России) проведены исследования микроорганизмов, ассоциированных со сфагновыми мхами, из различных, удаленных географическирегионов. Впервые в России, создана коллекция эндофитных бактерий-ассоциантовсфагновых мхов, изучены их культурально-морфологические, физиологобиохимические и хозяйственно-ценные свойства.

Впервые в мире, показано, что более50% выделяемых эндофитных бактерий, населяющих ткани сфагновых мхов, имеютвыраженные антагонистические свойства против широкого спектра фитопатогенныхмикроорганизмов, что, предположительно, и обеспечивает уникальные свойства сфагновых мхов противостоять развитию бактериальных и грибных заболеваний.

Впервые вРоссии проведена молекулярно-генетическая идентификация штаммов широкого географического происхождения. Показано, что доминирующими среди всех изучаемыхбактериальных популяций являлись представители родов Pseudomonas, Serratia,Burkholderia, Flavobacterium, Collimonas, Stenotrophomonas. Установлено, что одни и теже виды сфагнов, отобранные в различных географических регионах, являются местообитаниями для представителей одних и тех же таксономических групп. Впервые в мирепоказано, что эндофитные бактерии, выделенные из тканей сфагновых мхов, способныактивно взаимодействовать с культивируемыми в сельском хозяйстве растениями и оказывать положительное влияние на их рост и развитие.