Для организмов рода Rhizobium характерна полиморфность, т. е формы бактерий очень разнообразны. Данные микроорганизмы могут быть подвижными и неподвижными, иметь форму кокка или палочки, нитевидную, овальную. Чаще всего молодые прокариоты имеют палочковидную форму, которая с ростом и возрастом изменяется за счет накопления питательных веществ и обездвиживания. В своем микроорганизм проходит несколько стадий, о которых можно судить по его внешнему виду. Изначально это форма палочки, затем так называемой "опоясанной палочки" (имеет пояски с жировыми включениями) и, наконец, бактериод - крупная неподвижная клетка неправильной формы.

Клубеньковые бактерии обладают специфичностью, т. е. они способны поселяться только у

определенной группы или вида растений. Это свойство у микроорганизмов сформировалось генетически. Также важной является и эффективность - способность накапливать атмосферный азот в достаточном количестве для своего растения-хозяина. Данное свойство не является постоянным и может изменяться из-за условий обитания.

О том, как клубеньковые бактерии попадают в корень, нет единого мнения, однако существует ряд гипотез о механизме их проникновения. Так, некоторые ученые считают, что прокариоты внедряются в корень через повреждения его тканей, а другие говорят о проникновении через корневые волоски. Также существует ауксинная гипотеза - предположение о клетках-спутниках, которые помогают бактериям внедряться в клетки корня.

Само же внедрение происходит в две фазы: сперва - инфицирование корневых волосков, затем - образование клубеньков. Длительность фаз различна и зависит от конкретного вида растения.

Значение бактерий, которые способны фиксировать азот, велико для сельского хозяйства, т. к. именно эти организмы могут повышать урожайность. Из данных микроорганизмов готовят которое используют для обработки семян бобовых, что способствует более быстрому инфицированию корней. Различные виды при посадке даже на бедных почвах не требуют дополнительного внесения азотных удобрений. Так, 1 га бобовых «в работе» с клубеньковыми бактериями в течение года переводит в связанное состояние 100-400 кг азота.

Таким образом, клубеньковые бактерии - симбиотические организмы, которые очень важны не только в жизни растения, но и

КЛУБЕНЬКОВЫЕ БАКТЕРИИ (Bact. radicicola). Первые доказательства, что в клубеньках бобовых р-ний содержатся микроорганизмы, были получены русским учёным акад. М. С. Ворониным ещё в 1866. В чистую культуру их удалось выделить в 1888 Бейеринку. Для этой цели он воспользовался питательной средой, составленной из настоя листьев гороха с добавлением 2% сахара и небольшого количества азотистых веществ. Полученная культура имела форму маленьких, невидимых простым глазом, палочек в 1 μ толщиной и ок. 4 - 5 μ дл. Немного позже (1890) ему удалось доказать, что эти бактерии могут заражать корневую систему бобового р-ния и образовать на ней клубеньки. Он назвал вновь выделенные бактерии Вас. radicicola. Но т. к. они не образуют спор, то Пражмовский предложил их переименовать в Bact. radicicola. История открытия К. б. весьма поучительна. Ещё в 1838 Буссенго обратил внимание на то, что клевер и горох дают хорошие урожаи и на почвах, содержащих мало азота. На этом основании он высказал предположение, что бобовые р-ния могут питаться азотом атмосферы. Однако, продолжая изучать азотное питание др. р-ний, он убедился, что их рост пропорционален запасу в среде усваиваемых азотистых веществ. В результате у него возникло сомнение: правильно ли были поставлены первые опыты с клевером и горохом. Для проверки он решил повторить свои старые опыты с максимальной точностью. С этой целью он предварительно подвергал песок прокаливанию, чтобы удалить из него последние следы связанных соединений азота. К удивлению, оказалось, что при такой постановке опыта бобовые р-ния так же, как и злаки, не могут усваивать азот из атмосферы. Буссенго не мог объяснить причину такой разницы, хотя после открытия К. б., объяснение этой разницы оказалось очень простым, т. к. из описания постановки опыта следует, что во 2-й раз при прокаливании были уничтожены К. б., без к-рых бобовые р-ния не могут усваивать азот из атмосферы. Только в 1888 Гельригелю и Вильфарту удалось установить, что бобовые р-ния могут питаться азотом атмосферы в тех случаях, когда на их корнях образуются клубеньки. В дальнейших опытах было получено прямое доказательство, что бобовые р-ния усваивают азот атмосферы. При выращивании гороха в закрытых стеклянных сосудах с полным устранением возможности использовать другой источник азота, кроме азота атмосферы, горох всё же хорошо развивался, если семена заражались почвенной вытяжкой. При таких условиях злаки не могли расти так же, как не росли и бобовые р-ния, если почвенная вытяжка перед внесением в сосуд подвергалась кипячению. Немного позже было показано, что вес азота, поглощаемого бобовым р-нием из воздуха, равен приросту его в самом р-нии. Поглощение азота, как это было установлено П. С. Коссовичем, идёт через корневую систему. Так, этап за этапом раскрывалось значение К. б. в снабжении бобового р-ния азотом.

Дальнейшее изучение К. б. шло в разных направлениях. Удалось установить, что они в своём развитии внутри клубенька проходят определённый цикл. В молодых клубеньках они имеют вид мелких, подвижных палочек, а затем, по мере развития клубенька, становятся сначала неподвижными, потом приобретают ветвистую уродливую форму так наз. "бактероидов". В корневую систему бобовых р-ний они попадают из почвы, где в течение 5 - 7 лет могут сохраняться в жизнеспособном состоянии и без бобовых р-ний. Способ их проникновения в корень бобового р-ния связан, повидимому, с растворением стенок корневого волоска. Любопытно отметить, что особые корневые выделения бобовых (глюкоза или яблочная кислота) "привлекают" этих бактерий к корням. Попав внутрь корня, бактерии собираются в особую "инфекционную нить" и проникают через стенки клеток до внутренних покровов корня. Прилегающие к этому месту клетки корня сначала быстро делятся, а затем сильно укрупняются. В результате и получается на корне нарост, получивший название клубенька. В клетках клубенька "инфекционная нить" распадается на отдельные клеточки бактерий и начинается их симбиотическое сожительство с р-нием. Растение снабжает К. б. углеродистой и минеральной пищей, а бактерии, развиваясь за счёт доставляемых Сахаров, связывают азот атмосферы и используют его для построения собственного тела. При этом часть азотистых веществ идёт для снабжения пищей бобового р-ния. Благодаря этому бобовые р-ния и могут развиваться на почвах, бедных азотом, давая большие урожаи за счёт азота атмосферы. Исследования показывают, что примерно 75% связанного бактериями азота переходит к р-нию, а ок. 25% остаётся в клубеньке. Как показали наши исследования, чем продуктивнее развивается бобовое р-ние (если созданы благоприятные условия для фотосинтеза), тем больше К. б. связывают атмосферного азота. На гектар почвы, занятой посевами бобовых р-ний (клевера, вики, люпина, люцерны и др.); К. б. могут связывать за период вегетации от 100 до 300 кг азота атмосферы. Колебания в количестве связанного азота зависят как от особенностей бобового р-ния, так и от активности использованных для его заражения К. б. Последнее обстоятельство весьма важно, т. к. недавние исследования установили, что клубеньки образует та раса бактерий, к-рая первая проникла в корень. Вот почему существенно в практике с. х-ва обеспечивать проникновение в корень бобового в первую очередь активных рас клубеньковых бактерий.

К. б. довольно специфичны в отношении разных видов бобовых р-ний. Отдельные разновидности К. б. способны к сожительству только с определёнными видами бобовых р-ний. По этому признаку их можно разделить, повидимому, на след. группы: 1) бактерии гороха, вики, чины и конских бобов; 2) бактерии люцерны и донника; 3) бактерии фасоли; 4) бактерии люпина и сераделлы; 5) бактерии сои; 6) бактерии нута и 7) бактерии клевера. Наличие в почве соответствующей К. б. не всегда приводит к усиленному образованию клубеньков. Это объясняется тем, что в почвах, обеспеченных достаточным количеством доступных р-нию азотистых веществ (аммиачных солей и нитратов), способность к образованию клубеньков подавляется, а связывание в них азота атмосферы сильно тормозится. Поэтому лучшие результаты получаются на почвах средне обеспеченных азотной пищей для р-ний, но хорошо обеспеченных фосфором, калием и известью. Особенное значение имеет наличие нитратов или аммиачных солей в почве в первый период развития бобового р-ния до образования на корнях клубеньков.

Механизм связывания атмосферного азота К. б. остаётся до сих пор недостаточно выясненным. Обычно связанный азот обнаруживается в составе бактерий или же бобового р-ния в форме сложных азотистых соединений (белковых веществ). Значение К. б. в с. х-ве огромно. По самым скромным расчётам, они связывают ежегодно ок. 0,5 - 1 млн. т азота на всю площадь, занятую посевами бобовых растений в СССР. При дальнейшем росте посевной площади под бобовыми будет расти и количество связываемого К. б. азота атмосферы. В тех случаях, когда на данной почве давно не велась культура бобовых или на ней высевается новая для данного р-на культура бобовых, необходимо заражать семена специфической для данного бобового р-ния К. б. С этой целью применяют особое бактериальное удобрение - нитрагин (см. Бактериальные удобрения ), часто дающий прибавку в урожае более 20%. Т. к. важно обеспечить р-ния активной расой К. б., а они часто теряют свою активность в связывании азота, желательно постоянно заражать семена нитрагином гарантированного качества. Это мероприятие не требует больших затрат труда. При прибавке урожая только в 10 - 20% мы имели бы не только многократно окупаемое мероприятие, но и мощный резерв повышения доходности бобовых культур.

Азот атмосферы, накопленный К. б. в бобовых р-ниях, при использовании их в корм, поступает затем в почву с навозом. Но значительное обогащение почвы азотом происходит также за счёт сгнивания корневой системы бобовых, с находящимися на ней клубеньками. Посеянные после бобовых злаки дают повышение урожая за счёт этого азота нередко на 100% и более. Кроме того, мощная корневая система бобовых воздействует на физ. свойства почвы, улучшая воздушный и водный режимы и повышая общую микробиологическую активность в ней. Весьма важное значение имеют многолетние бобовые (в смеси со злаками) в правильных травопольных севооборотах. Бобовые выносят в верхние горизонты кальций и тем самым способствуют цементации почвенных частиц гуминовыми веществами и созданию в почве прочной мелкокомковатой структуры. Современная наука точно установила, что клубеньковые бактерии имеют чрезвычайно важное значение в с.-х. производстве и тем самым полностью подтвердила тезис К. А. Тимирязева, что "Способностью увеличивать производительность земли, способностью обогащать земледельца на счёт дарового источника удобрения - воздуха, бобовые растения обязаны одной из тех бактерий, в которых мы привыкли видеть только страшных, неотразимых врагов".

М. Фёдоров

Литература: Израильский В. [и др.], Клубеньковые бактерии и нитрагин, М.- Л., 1933; Омелянский В ., Краткий курс общей и почвенной микробиологии, 2 изд., М.-Л., 1931; Федоров М ., Биологическая фиксация азота атмосферы, М., 1948; его же, Микробиология, 4 изд., М., 1949; Худяков Н ., Сельскохозяйственная микробиология, М., 1926.

Источники:

1. Сельскохозяйственная энциклопедия. Т. 2 (Ж - К)/ Ред. коллегия: П. П. Лобанов (глав ред) [и др.]. Издание третье, переработанное - М., Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1951, с. 624

Rhizobium (от греческих слов riza — корень и bios — жизнь) — гетерогенная группа азотфиксирующих бактерий, живущих в почве, в корневых узелках растений семейства бобовых в симбиозе с ними. Клубеньковые бактерии не могут независимо фиксировать азот, и требуют для этого растение-хозяина. Эти бактерии не создают монофилетической группы, но все они принадлежат к грам-отрицательных, подвижных, палочковидных бактерий, которые не образуют споры.

История

Первый вид ризобий (Rhizobium leguminosarum) был идентифицирован в 1889 году, и все последующие виды были отнесены к роду Rhizobium. Однако, более поздние методы анализа заставили пересмотрели эту классификацию и сейчас многие из этих бактерий отнесены к другим родам. Срок Rhizobium все еще ​​иногда используется как единственное от срока клубеньковые бактерии (rhizobia). Наибольшее количество исследований сделана на видах, симбиотических с культурными представителями семейства бобовые (например, клевер, бобы и соя). Однако, в последнее время некоторые данные были получены также для диких видов бобовых.

Таксономия

Клубеньковые бактерии принадлежащих к 57 видам в 12 родах. Наибольшее количество относится к ряду Rhizobiales, что предположительно является монофилетическая группой протеобактерий. Однако, в рамках этой группы они отнесены к нескольким разным семействам:

Все эти группы также включают значительное число других бактерий, которые не относятся к ризобий. Например, патоген растений Agrobacterium — ближе родственник Rhizobium, чем клубеньковые бактерии, живущие в корнях сои (они, вероятно, не входящих в одного рода). Гены, отвечающие за симбиоз с растениями, однако, могут быть ближе, чем сами организмы; вероятно они были приобретены путем горизонтального переноса генов.

Важность для сельского хозяйства

Несмотря на то, что многие фиксированного азота оставляет землю со сбором богатого белками урожая, существенное количество может остаться в почве для будущих урожаев. Это особенно важно, когда азотные удобрения не используются, как при выращивании органических продуктов или в менее промышленно странах. Именно азота из всех неорганических веществ больше всего не хватает во многих почвах во всем мире и именно азот — основной компонент, необходимый для обеспечения нормального роста растений. Поставка азота через удобрения создает целый ряд экологических проблем. Поэтому, фиксация азота бактериями рода Rhizobium очень полезна для окружающей среды.

Симбиоз

Клубеньковые бактерии применяют уникальный механизм для возможности существования в симбиозе с бобовыми растениями, таких, как горох, бобы, клевер и сою. Клубеньковые бактерии живут в почве, где они сталкиваются с корнем боба. Если он имеет необходимый набор генов, может осуществиться симбиоз. Клубеньковые бактерии входят в волокна корня и поступают в центр клеток этого волокна. Здесь, размножаясь, клетки растения формируют узелок. Бактерии морфологически дифференцируются в бактероиды и начинают усваивать атмосферный азот, переводя его в пригодные для употребления растениями формы. В ответ растение кормит бактерий сахаром и белками.

Симбиоз бобовых с клубеньковые бактерии — классический пример мутуализма — клубеньковые бактерии поставляют аммиак или аминокислоты к растениям и в ответ получают органические кислоты (главным образом, дикарбоксильни кислоты малат и сукцинат) в качестве источника углерода и энергии — но эволюционная постоянство этого процесса — действительно удивительная. Поскольку несколько несвязанных линий заражают каждую индивидуальную растение, любая линия может переприсвоиты ресурсы от фиксации азота для своего собственного размножения без убийства родной растения, от которой они все зависят. Но такая форма обмана должна одинаково соблазнять все линии, классическая трагедия общин. Кажется, что бобовые растения могут направлять развитие ризобий к увеличению мутуализма, сокращая поступление кислорода узелки, которые фиксируют меньше азота, таким образом сокращая частоту мошенничества в следующем поколении.

Клубеньковые бактерии, способные жить и размножаться на корнях растений-симбионтов, уже давно стали классическим примером взаимовыгодного сотрудничества высших и низших живых организмов на Земле.

Несмотря на то, что еще древние ученые обращали внимание на способность бобовых растений улучшать качество почвы, изучение клубеньковых микроорганизмов началось только в 1838 году. В это время француз Жан Батист Буссенго высказал предположение о том, что листья бобовых растений могут фиксировать азот. Эксперименты, проведенные им в подтверждение этой гипотезы, отличались точностью и взвешенностью. Через 15 лет он отказался от своей гипотезы, когда выяснил, что растения, выращенные на воде (без земли), утрачивают свою способность к фиксации азота. Тогда ему не удалось найти ответ на вопрос о том, какие органы бобовых отвечают за азотфиксацию.

Это неудивительно – фабриками по производству нитратов оказались не листья, а клубеньковые бактерии – излюбленные симбионты бобовых растений, которые живут на их корнях. Не зная ничего о механизме азотфиксации, агрономы стали вводить бобовые в системы многопольных севооборотов. Чередование зерновых и клевера позволило в два с половиной раза увеличить их урожайность. Среди бобовых растений были выявлены наиболее продуктивные виды – люцерна, клевер, люпин, донник. Оказалось, что они оставляют в почве в 2-5 раз больше азота, чем зерновые бобовые культуры.

Работа ученых по выявлению симбионтов, с которыми сотрудничают клубеньковые бактерии, позволила выявить более 200 видов небобовых растений, на корнях которых живут и размножаются азотфиксирующие бактерии.

Вездесущие прокариоты

В начале прошлого века были открыты первые клубеньковые микроорганизмы, которые могут усваивать атмосферный азот. Интересно, что почти одновременно были обнаружены анаэробный Клостридиум пастерианум (С.Н.Виноградский) и аэробный Азотобактер (М. Бейеринк). Со временем были выявлены и другие азотфиксирующие бактерии, как свободноживущие, так и симбионты, которые живут и размножаются на корнях злаковых, бобовых, сложноцветных (наиболее известны тимофеевка, сорго, картофель). Выращивая клубеньковые бактерии на питательных средах, ученые обнаружили, что кроме фиксации азота, они живут и размножаются, выполняя синтез стимуляторов роста и корнеобразования, некоторых витаминов, а также антибиотиков.

Клубеньковые бактерии отличаются высокой специфичностью по отношению к растениям-симбионтам. Исследование их специфичности позволило найти ответ на вопрос о том, почему бактериальные препараты имеют варьирующую эффективность в зависимости от культур, которые ими обрабатываются. Первый бактериальный препарат Нитрагин, предназначенный для обработки семян бобовых растений, был предложен в 1897 году Ф. Ноббе и Л. Гильтнером. Это положило начало промышленному производству бактериальных удобрений, исследованиям по специфичности азотфиксаторов, а также поиску наиболее удобных для транспортировки и хранения форм бактериальных препаратов, которые способны в дальнейшем жить и размножаться.

Различия

Различают микроорганизмы широкой и узкой специфичности. Разыскивая ответ на вопрос о ее причинах, ученые выявили генетическую передачу специфичности при помощи плазмид в то время, когда бактерии размножаются.

1. Узкоспецифичные. Способны к симбиозу с ограниченным количеством видов, а иногда даже сортов или форм. Яркий пример – симбионты люпина, которые могут жить только на безалкалоидных его сортах.
2. Широкоспецифичные . Способны заражать растения одного семейства или сходного химического состава.

Среди азотфиксирующих бактерий-симбионтов выявлены представители всех таксономических единиц прокариот – эубактерии, цианобактерии (или синезеленые водоросли), архебактерии. Агрономы разделили их на три группы в зависимости от продуктивности:

• активные или эффективные,
• малоэффективные или малоактивные,
• неэффективные.

Различаются они и по вирулентности – так называется их способность проникать внутрь корней растений-симбионтов. Наиболее продуктивны высоковирулентные активные штаммы, сочетающие в себе высокую скорость заражения и производства азотных соединений.

Новой разработкой стал ризоторфин – препарат, в состав которого входят мелкодисперсный торф и клубеньковые бактерии. Его производство – своеобразный ответ зарубежным производителям. Поддерживая необходимую кислотность и влажность в брикете, удается сохранить активность бактерий, их способность жить и размножаться длительное время.

Благоприятные условия и жизнь бактерий внутри клубенька

Клубеньковые бактерии демонстрируют различную эффективность фиксации азота в зависимости от условий, в которых живут и размножаются. Это кислотность почвы, ее влажность, а также наличие органических веществ (углеводов), калия, фосфора. Сравнительно недавно было обнаружено положительное влияние на клубеньковые бактерии молибдена. Его препараты вместе с известкованием приводят к существенному повышению количества белка в зернах бобовых растений. Действие бора и молибдена связано с тем, что они принимают участие в работе ферментов-дегидрогеназ.

Существуют клубеньковые бактерии с различной эффективностью азотфиксации. Чувствительность к условиям обитания во многом зависит от растений-хозяев и их требований к качеству почв. Так, клубеньковые микроорганизмы клевера более устойчивы к повышенной кислотности почв, чем их сородичи, сотрудничающие с люцерной.

Оптимальной температурой для этих микроорганизмов является 24-26°С. Их препараты способны храниться в неактивном состоянии при температуре от –2 до –4°С.

Их появление в клетках корней начинается с проникновения сквозь корневые волоски. Сначала образуется тяж внутри волоска, затем бактерии проникают внутрь корней растений, стимулируя их разрастание и образование клубеньков. Согласно современным данным, клубеньковые бактерии способны жить только в полиплоидных (несущих увеличенное количество хромосомных наборов) клетках корней растений.

Интересно, что клубеньковые бактерии демонстрируют высокую степень полиморфизма. Ответ на вопрос о причинах такого многообразия форм был найден не скоро. Свободноживущие клубеньковые микроорганизмы или молодые клетки, обнаруживаемые в культурах, чаще всего имеют вид палочек (бацилл). Иногда это кокки, L-формы с различной степенью подвижности. Они делятся при помощи перешнуровывания, а с возрастом приобретают характерные пояски. Все азотфиксирующие бактерии являются грамотрицательными. В их клетках со временем скапливаются жировые отложения – именно это и является причиной образования опоясанных форм.

Клубеньковые бактерии живут с бобовыми растениями в симбиозе, то есть приносят друг другу взаимную пользу: клубеньковые бактерии усваивают азот атмосферы и переводят его в соединения, которые могут быть использованы бобовыми растениями; растения, в свою очередь, снабжают клубеньковые бактерии веществами, содержащими углерод.

По виду клубеньковые бактерии - обычно маленькие палочки размером 1,2-3 мкм в длину и 0,5-0,9 мкм в ширину. В процессе жизнедеятельности они проходят сложный и довольно длительный для таких маленьких существ цикл развития, состоящий из различных фаз, или стадий. В зависимости от фазы развития меняется и внешний облик бактерий. Появляются формы в виде шариков (кокков) или палочек, подвижные или неподвижные.

Вне клубеньков (на искусственных питательных средах) клубеньковые бактерии могут развиваться при температурах от 0 до + 37°С, а наиболее благоприятные (оптимальные) для них температуры +20-31°С. Наилучшее развитие наблюдается обычно в нейтральной среде (при рН 6,5-7,2). Все клубеньковые бактерии обладают приблизительно одинаковой устойчивостью к щелочной реакции среды, но совершенно по-разному относятся к кислым почвам.

В большинстве случаев кислая реакция почвы отрицательно сказывается на жизнедеятельности клубеньковых бактерий, в кислых почвах образуются неактивные или неэффективные (не фиксирующие азот воздуха) расы этих бактерий. Интересная физиологическая особенность клубеньковых бактерий заключается в их способности синтезировать различные витамины и ростовые вещества. Изучая возможность фиксации азота клубеньковыми бактериями при выращивании их на искусственных питательных средах, ученые получили в последние годы положительные результаты. Однако для сельскохозяйственной практики важна способность бактерий фиксировать азот, находясь в клубеньках бобовых растений.

Первые исследователи клубеньковых бактерий предполагали, что эти бактерии могут вызывать образование, клубеньков у большинства видов бобовых культур. Но затем было установлено, что клубеньковые бактерии обладают специфичностью, они поселяются в растении в строгом соответствии со своими потребностями. Та или иная раса клубеньковых бактерий может вступать в симбиоз с бобовыми растениями только определенного вида.

В настоящее время клубеньковые бактерии подразделяют на следующие группы (по растениям, на которых они поселяются): 1) клубеньковые бактерии люцерны и донника; 2) клубеньковые бактерии клевера; 3) клубеньковые бактерии гороха, вики, чины и кормовых бобов; 4) клубеньковые бактерии сои; 5) клубеньковые бактерии люпина и сераделлы; 6) клубеньковые бактерии фасоли; 7) клубеньковые бактерии арахиса, вигны, коровьего гороха и др.

Специфичность клубеньковых бактерий различных групп бывает неодинаковой. Если клубеньковые бактерии клевера отличаются очень строгой специфичностью, то о клубеньковых бактериях гороха этого сказать нельзя.