Глик, Пастернак - Молекулярная биотехнология - 2002 (947307), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Предложите стратегии выделения прокариотических эндоглюканазных и 11-глюкозидазных генов. 10. «!то такое «супербацилла»? 11. Как повысить эффективность образования силоса, проводя манипуляции с бастоЬасИиз р?алга гит? 12. Как следует модифицировать бактерии рубца, чтобы они обеспечивали крупный рогатый скот незаменимыми аминокислотами? ГЛАВА 14 Бактерии, стимулирующие рост растений Фиксация азота Скорость роста и урожайность растений в естественных условиях зависят от их генотипа, доступности питательных веществ, наличия в почве полезных микроорганизмов и отсутствия патогенных (так называемых фитопатогенов, отдлуго— растение). Одни виды полезных природных почвенных бактерий и грибов оказывают прямое дейстние, другие опосредованное, Первые поставляют растениям соединения, стимулирующие их рост, вторые подавляют размножение патогенных почвенных микроорганизмов, предотвращая их негативное влияние на растение.
К основным механизмам стимуляции роста растений микроорганизмами «прямого действия» относятся: ! ) фиксация атмосферного азота, который затем используется растением; 2) образование легкоуснаинаемых форм железа и фосфора и/или поглощение из почвы и достанка этих полезных минеральных веществ в растения; 3) синтез фитогормонов, вызывающих пролиферацию растительных клеток. Опосредованная стимуляция роста растения каким-либо штаммом полезного микроорганизма проявляется через предотвращение роста фитопатогенного почвенного микроорганизма, который мог бы отрицательно влиять на нормальный рост и развитие растения. Такое действие называется антибиозом и может заключаться либо в истощении полезным микроорганизмом лимитирующего субстрата, либо в синтезе и секреции соединения, препятствующего росту фитопатогена.
Последние генетические эксперименты по созданию штаммов микроорганизмов, способных более эффективно стимулировать рост растений, были направлены в основном на решение следующих четырех проблем. ° Молекулярные механизмы фиксации азота. Цель всех исследований состояла в том, чтобы оценить возможности повышения уровня фиксации азота микроорганизмами и, следовательно, снизить количество вносимых в почву химических удобрений. Образование корневых клубеньков симбиотическими бактериями.
Целью этих исследований было создание рекомбинантных бактерий „способных конкурировать с природными симбиотическими бактериями. ° Микробиологический синтез веществ, хелатирующих железо (сидерофоров). Есть надежда, что удастся получить штаммы микроорганизмов, подавляющие рост фитопатогенов. Микробиологический синтез фитогормонов. Эти исследования проводились для того, чтобы создать штаммы бактерий, синтезирующие и секретирующие определенные количества фитогормонов, которые ускоряли бы рост растений. Исследования в этой области проводятся главным образом на бактериях, а не на грибах. Отчасти это обусловлено тем, что полезные грибы не удается вырастить в культуре, поэтому с ними трудно работать в лабораторных условиях, а кроме того„невозможно получить эти организмы в количестве, достаточном для инокуляции. Азот (Х ) — газ, на долю которого приходится примерно 80% (по объему) воздуха, которым мы дышим.
Растения или животные не могут использовать его непосредственно для синтеза не- Бактерии, стимулирующие рост растений 307 обходимых им биологических азотсодержаших соединений типа аминокислот и нуклеотидов; предварительно азот должен быть включен в состав аммиака (фиксирован). Это требует больших энергетических затрат, поскольку тройная связь в молекуле Х (1'1 .= 1К), которую необходимо предварительно разорвать, чрезвычайно прочная. энергия для биологической фиксации азота высвобождается при гидролизе больших количеств аденозинтрифосфата (АТР).
Для химического (промышленного) превращения Х, в аммиак используют высокие температуру и давление. Для удовлетворения потребностей пищевой промьнлленности в сельскохозяйственной продукции ежегодно требуется более 100 млн. т связанного азота. Примерно половину этого количества составляют синтетические (химически синтезированные) удобрения, а большую часть второй половины растения получают от азотфиксируюших (диазотрофных) бактерий типа КЬ!соЬ!ит, ггап!с!а, Агрхр!ПНит, А"огоЬас(ег и цианобактерий. Ни один из эукариотических организмов не способен связывать азот. Благодаря применению химических удобренийй удалось значительно повысить урожайность сельскохозяйственных культур, однако их продолжительное использование приводит к загрязнению почвы и истощению запасов в ней питательных веществ.
К тому же химические удобрения становятся все более дорогими. Все это стимулировало поиск альтернативных источников связанно~о азота, в частности создание штаммов диазотрофных микроорганизмов„ которые могли бы служить «бактериальными удобрениямисч Способностью к фиксации азота обладают самые разные бактерии, и многие из них в принципе мо1 ут использоваться как удобрения.
Однако до тех пор, пока не будет показано, что бактсриальные удобрения столь же эффективны, как и химические, вряд ли удастся преодолеть консерватизм производителей сельскохозяйственной продукции и изменить используемые в настоящее время подходы. Например, вторая по экономической значимости и по занимаемым шющадям сельскохозяйственная культура в США — соя - - формирует симбиотическис отношения с бактерией Вгас)угйеойит )аротсит. В результате такого симбиоза бактерия обеспечивают растение связанным азотом„а сами получают от него легко усваиваемые формы углерода, образ>юшиеся при фотосинтезе. После инокуляции растений некоторыми штаммами В. )аротсит конечный выход растительной биомассы может возрасти на 25- 50% и никаких добавок химически связанного азота больше не потребуется. Примерно 50% сои выращивается в нескольких регионах США, при этом везде используется в общем сходная технология.
Но ли~ив небольшую часть этой культуры в настоящее время обрабатывают В. !аротсит. Фермеры до сих пор полага1отся на природные штаммы В. !аров!сит и химические удобрения. Репутация бактериальных удобрений весьма сомнительна. В 1950-х годах в СССР более 1О млн. га сельскохозяйственных >тодий обрабатывались смесью диазотрофных бактерий, состоящей в основном из Аго!оЬас гсг сдгоососсит и Вас!!!из тсяагег!и~и.
При этом примерно в 60% случаев урожайность различных зерновых повысилась на 1Π— 20%. Однако эти полевые испьпания оказались некорректными и невоспроизводимыми; многие исследователи выразили сомнения в правильности полученных результатов, и использование бактериальных инок>вигов в качестве удобрений не получило развития. Однако проблемы экономического характера, необходимость предотвращения загрязнения окружающей среды, появление новых технологий привели к тому, что ученые вновь обратились к изучению возможности использования бактериальных удобрений. Микроорганизмы.
которые применяются в настоящее время в сельском хозяйстве, принадлежат в основном к двум родам: В!иеойит и Вгас!угЬ(еойит. Это грамотрицательные палочкообразные жгутиковые бактерии, находяшиеся в симбиозе с бобовыми. Каждый вид ЯЫеойит и Вгадугйеойит специфичен в отношении лишь небольшого числа видов растений и не взаимодействует с растениями, не являющимися его природными хозяевами (табл. 14.1). На определенной сталии жизненного цикла ЮиеоЬ!ит проникает в клетки корня растения и инициирует комплекс изменений, приводяших к формированию корневого клубенька.
Бактерии внутри корневого клубенька быстро проли- 308 ГЛАВА !4 Блатари я Ряитяяис-лозяии Япадуйь/еа!Ьшп!!арап/лип! КЬааыи т и!ел1пл КЬ!аабоип /аеяипиинашв Ьу. !р!Та/л Иисаытп /ех!итпазаоип Ьк но/ая Х/тцерця Клояар Горох. 4!яооль Фасоль обыкнояеннзя, Фасоль золотисгяя /!о! ос Италшт!еяит!и!з!аозт Ья. рьазяал Иатабзит Йя! Ииналшп! Ьиаяии КЬ/залят Ыьеп Агталайа з/таил тзрацкия горох ьеиааепа зрр., Маатрышп! зрр. Оа/яза а/Тзста/1!. 6.
аоеи!и1В Соя КЫО!Ь/ип! 1гарм! КЬ/заыип! Ка/ехае К/!/з!зЬЬ!тйе!/В КЬ/зиЬЬсп! ьр. ш !пмм МОК 234 Компоненты троаяяааяяи бати!я!ли ИиеаЬзив еИ Фасоль обыкнояанная, фасоль золотистая Соя Вга!/З'!1!/лаба!и! е/Ьапя О а О Нигрогеназа Таблица /4. 1. Специфичность видов КяйоЬ!ит и Вга!/угЬ/боыит в о!ношении разных растений ферируют и находятся в форме, не имеющей клеточной стенки.
Клубеньковые бактерии связывают атмосферный азот с помощью фермента нитрогсназы. Струкгурныс и биохимические нзаимодействия между симбионтами — Юибоб!ит и растением-хозяином — весьма сложны и взаимовыгодны. Внутри клубенька цитро/еназа защищена от токе!ического действия атмосферного кислорода лвумя способами. Во-первых, кислород ирак!ически не проникает в клубенек. Во-вторых, содержание кислорода внутри клубенька ре!улируется белком леггсмоглобином.
Гсмовый комгюнент зто/о кислородсвязывающего белка синтезируется бактерией, а глобиноная часть молекулы кодируется /еномом растения. Растение обеспечивает бактерии необхолимь! ми для роста связанными формами углерода, образующимися при фотосинтезе, а растение извлекает выгоду из этих симбиотических отношений, получая от бактерии связанный азот. Интерес к диазатрофам как к биологическим удобрениям возродился после того, как были разработаны методы выделения и модификации генов, и зто стимулировало изучение биохими- ческих и молекупярно-биологических механизмов фиксации азота.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
