Диссертация (1144724), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Однако уже при более высоких концентрацияхнаблюдалось резкое снижение азотфиксирующей активности. Следуетотметить, что число клубеньков значительно возрастало с увеличениемОбзор литературыпродолжительности160выращиваниярастений,чтосвидетельствуетофункционировании неизвестных механизмов адаптации азотфиксации ккадмиевому стрессу.
При микроскопическом анализе было показано, что сувеличением концентрации кадмия уменьшается зона азотфиксации вклубеньке и число инфицированных клеток. Также наблюдались изменения вультраструктурной организации клубеньков, при высоких концентрацияхкадмия уменьшалось число бактероидов в симбиосомах (Chen et al., 2003). Вдругих исследованиях было показано, что обработки кадмием ведут кснижению уровня азотфиксации и ассимиляции аммиака в клубеньках сои(Balestrasse et al., 2003), а также преждевременному старению, вызванному,по-видимому, окислительным стрессом (Balestrasse et al., 2004).Тем не менее, имеются исследования, в которых было показанонезначительное негативное влияние тяжелых металлов, в том числе и кадмия,на клубенькообразование и азотфиксацию.
Так, например, на отходах шахтрастения белого клевера формировали азотфиксирующие клубеньки приконцентрации 216 мг Cd/кг (Rother et al., 1983). В другом исследовании былопоказано присутствие ризобий, способных формировать эффективныеазотфиксирующие клубеньки с белым клевером, выращенным в почвах свысоким содержанием кадмия (Obbard, Jones, 1993).Таким образом, основное количество исследований, посвященныхвлиянию кадмия на клубенькообразование и азотфиксацию у бобовыхрастений,ограничивалосьлишьизмерениямиростовыхпараметров,содержания кадмия и уровня нитрогеназной активности. Лишь в единичныхработахисследовалосьвлияниекадмиянагистологическуюиультраструктурную организацию клубеньков, а также вызываемые кадмиембиохимические изменения.
Сравнение полученных данных затруднено из-заиспользования различных методологических подходов (использованныесубстраты, сроки добавления кадмия, использованные концентрации, времявыращивания растений при токсичных концентрациях кадмия). ТакжеОбзор литературы161несмотря на то, что большинство исследований указывают на негативныйэффект кадмия, имеются исследования об отсутствии такого эффекта, илидаже о стимулирующем эффекте определенных концентраций кадмия.Следует отметить, что остаются почти неизвестными механизмы какнегативного,такипозитивногодействиякадмиянаразвитиесимбиотических клубеньков, а также мишени, на которые действует кадмий.1.2.3. Уплотнение почв, как один из наиболее важных негативныхстрессоровВ современном сельском хозяйстве проблема уплотнения почввозникает прежде всего вследствие использования тяжелой техники (Hamza,Anderson, 2005).
Было показано, что уже к концу прошлого века плодородиерыхлых почв снизилось на 10–15%. Экономисты ставили проблемууплотнения почв на третье место по актуальности после проблем ее эрозии изасоления (Арбатов et al., 1999).Уплотнение почв (Рисунок 32) повышает ее прочность и снижаетфизическое плодородие почвы за счет сокращения запасов и поступленияводы и питательных веществ, что приводит к дополнительным требованиям кудобрениям и увеличению себестоимости продукции.
В результате приуплотнении почвы происходит уменьшение роста растений, приводящее кснижениюсокращениюснижениюпоступлениясвежегорециркуляцииактивностииорганическогоминерализациимикроорганизмовобрабатывающих машин (Hamza, Anderson, 2005).ивеществапитательныхувеличениювпочву,веществ,износаОбзор литературы162Рисунок 32. — Эрозия почвы с уплотненным песчаным дуплекснымгрунтом из Западной АвстралииРазрывы в грунте достигали 45 см (Hamza, Anderson, 2005).Неспособность корней растений проникать в уплотненные почвы былапоказана неоднократно (Kirkegaard et al., 1992; Venezia et al., 1995).Гидростатическое давление (тургор) в зоне элонгации корня обеспечиваетсилу, необходимую для продвижения корневого чехлика и меристемы, черезсопротивление почвы. Если гидростатическое давление недостаточно дляпреодоления сопротивления почвы, рост кончика корня останавливается.Корни растений являются основным источником органического вещества впочве и способны создавать и стабилизировать полезные структурныеособенности почвы (Hamza, Anderson, 2005).
Влияние корней на структурупочвы зависит от вида растений, типа почвы и экологических факторов(Monroe, Kladivko, 1987), а также почвенной микрофлоры, связанной скорнями растений (Tisdall, 1991). Было показано, что бобовые растения болееэффективны в стабилизации структуры почвы, чем небобовые виды (Hamza,Anderson, 2005).Обзор литературы163Растения, развивающиеся в компактной почве, формируют сниженноечисло боковых корней (Panayiotopoulos et al., 1994). Для гороха былопоказано, что уплотнение почвы приводит к распространению корневойгнили,снижаядренажныесвойствапочвыиобеспечиваяболееблагоприятные условия влажности почвы для раннего развития инфекциикорней (Allmaras et al., 1998). Различные виды растений, также, как иразличные генотипы в пределах одного вида, значительно различаются поспособности проникать в плотные слои почвы (Singh, Sainju, 1998). Былопоказано,чтовиды,способныепроникатьвуплотненныепочвы,характеризуются стержневой корневой системой, и вовлечение таких видов всевооборот уменьшит риск уплотнения почвы (Ishaq et al., 2001).Корни реагируют на давление со стороны почвенных частицспецифической реакцией — тигмоморфогенезом, т.е.
изменением полярностироста, приводящим к редукции роста корня в длину и увеличению диаметракорня (Feldman, 1984; Croser et al., 2000). Этот физиологический ответсоздает значительное давление, позволяющее кончикам корня облегчить ихпроникновение в плотной почве (Baluška et al., 2001). Несмотря на высокуюважность проблемы ответов корней на давление почвы, молекулярногенетические механизмы, вовлеченные в реализацию тигмомрфогенеза,остаются слабо изученными (Huang et al., 1998; Johnson et al., 1998).Тот факт, что корневой чехлик, соприкасающийся с почвеннымичастицами, отстоит от так называемой «переходной» (англ. transition) зоны,ответственной за реализацию тигмоморфогенетических реакций (Baluška etal.,2001),подразумеваетпередачусигнала,индуцированногосоприкосновением с почвенными частицами.
На роль такого медиатора былпредложен этилен (Sarquis et al., 1991; Zacarias, Reid, 1992), тем не менее,были получены данные, опровергающие данное положение (Moss et al., 1988;Whalen, 1988). Анализ этилен-нечувствительных мутантов etr1-3 и ein2-1 у A.thalianaпозволилпредположитьавторам,чторольэтиленавОбзор литературы164тигмоморфогенезе маловероятна (Johnson et al., 1998). В то же время анализэтилен-нечувствительного мутанта томатов Never ripe указал на возможнуюроль этилена в тигмоморфогенезе (Clark et al., 1999).Хорошим кандидатом для реализации действия этилена являютсяэлементы цитоскелета — кортикальные микротрубочки. Было показано, чтов норме клетки корня проходят через специфическую переходную зону, гдеони подвергаются изменениям в полярности роста от изотропного канизатропному, которые подготавливают клетки к стадии растяжения(Baluška et al., 2001).
Изменения в полярности роста сопровождаютсяпереориентациейкортикальныхмикротрубочекотпоперечногокпродольному направлению по отношению к оси растяжения (Baluška et al.,1992; Baluška et al., 1993) и последующей переориентацией микрофибрил(Kost et al., 1999; Barlow, Baluška, 2000). В то же самое время было показано,что в побегах этилен вызывает изменения ориентации кортикальныхмикротрубочек от поперечного к продольному и включает латеральный ростклетки, препятствуя растяжению клетки (Steen, Chadwick, 1981; Eisinger,1983; Roberts et al., 1985). Сходные латеральный рост клетки и реорганизациямикротрубочек, индуцируемые этиленом, наблюдались в корнях (Baluška etal.,1993).По-видимому,измененияворганизациимикротрубочек,вызванные этиленом, играют важную роль в тигмоморфогенезе.Таким образом, очевидно, что изучение механизмов адаптации ростарастений в условиях уплотненных почв представляет большой интерес.
Приэтом практически не изучено влияние плотных почв на развитиесимбиотических клубеньков.1.3. Заключение к обзору литературыФормированиесимбиотическогоклубенькапредставляетсобойсложный, многоступенчатый процесс, контролируемый как макро-, так имикросимбионтом. В основе взаимодействия партнеров лежит обменОбзор литературысигнальными молекулами:165флавоноидами иNod-факторами, которыедействуют в крайне низких концентрациях, вызывая, тем не менее, мощныекак физиологические, так и морфогенетические ответы.
Несмотря на то, чтоNod-факторы уже известны более четверти века, до сих пор в их рецепцииостается много белых пятен. Так, до конца не выявлены все компонентырецепторных комплексов и не выявлен порядок их функционирования(Fliegmann, Bono, 2015). Имеются лишь единичные исследования, в которыхпоказано прямое физическое взаимодействие Nod-факторов и рецепторов кним (Broghammer et al., 2012).К моменту начала наших исследований гены бобовых растений,контролирующие развитие клубенька, были идентифицированы и изученылишь с использованием методов классической генетики. Так, у гороха такихгенов было выявлено около 40 (Borisov et al., 2000).
Тем не менее, впрограммы по мутагенезу было вовлечено 7 различных генотипов гороха имногие мутации были получены лишь для одного генотипа (Borisov et al.,2000).Поэтому,несомненно,важнымпредставлялосьпроведениеэкспериментального мутагенеза с использованием одного генотипа —лабораторной линии SGE — с получением на нем широкого спектрамутантов.Лишь в 1999 г. у L. japonicus была выявлена последовательностьпервого симбиотического гена бобовых растений — LjNIN (Schauser et al.,1999), что открыло возможность с использованием геномной синтениивыявлять последовательности симбиотических генов у сельскохозяйственноважных бобовых культур (Stougaard, 2001), в том числе у гороха.
Дляиспользования геномной синтении необходимо было провести детальнуюфенотипическую характеристику мутантов по симбиотическим признакам,полученных как в ходе данной работы, так и ранее. Кроме того, такаяхарактеристика должна позволить выявить локусы гороха, контролирующиесимбиогенез.Обзор литературы166Следует отметить, что долгое время основной интерес исследователейлежал в области изучения генов растений, контролирующих развитие раннихстадийклубеньков.Этигеныконтролируютсигнальныйкаскад,активируемый действием Nod-факторов. За последнее десятилетие видентификации таких генов был достигнут значительный прогресс (Oldroyd,2013).
Что же касается поздних генов, то интерес к ним активизировалсялишь в последние годы (Tsyganova et al., 2018).Клеточныемеханизмыразвитиясимбиотическогоклубенькаисследуются на протяжении длительного времени (Newcomb, 1976). Тем неменее, их изучение еще очень далеко до завершения. Так, реорганизацияэлементов цитоскелета в ходе развития клубенька была изучена на раннихстадиях, в то же время для зрелых клубеньков не было получено яснойтрехмерной структуры элементов цитоскелета (Timmers, 2008).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
