Бактерії всередині рослин допомагають їм рости

Увесь світ переповнений бактеріями. Уявіть, на нашому організмі й усередині нього клітин бактерій більше, ніж власне клітин тіла! Що вже говорити про інших тварин! Так, корова й терміт здатні перетравлювати рослинну їжу лише завдяки мікроорганізмам, що живуть у їхній травній системі. А що ж рослини? Чи є в них свої бактерії, що перебувають із ними в симбіозі? Треба пошукати!

Найлегше симбіотичних бактерій знайти на коренях бобових рослин. Прямуйте на город чи на поле, де ростуть квасоля, горох або соя (обов’язково запитайте дозволу в господаря чи господині, чи можна проводити дослідження на території, що їм належить! Поясність, що ви досліджуйте, і запевніть, що не пошкодите рослини). Візьміть із собою невеличку лопатку й пакет для ґрунту.

Обережно розкопайте кілька коренів рослини й уважно розгляньте їх. Під час розкопування наберіть у пакетик кілька жменьок землі, яка була поряд із корінням.

Відвідайте також луку, де є конюшина чи люпин (рис. 211). Так само розкопайте й ретельно огляньте коріння цих рослин. Не забудьте згодом закопати!

Бульбочкові бактерії — група бактерій, що мешкають у бульбочках на корінні бобових та деяких інших рослин.

Оці кульки, що ви бачили на коренях, якраз і є місцем мешкання симбіотичних бактерій (рис. 212). За місцем проживання вони й отримали назву — бульбочкові бактерії. Але навіщо рослинам «заводити» собі «домашніх улюбленців»? Якусь користь від цього ж вони мусять мати?

Чи тільки користь приносять симбіотичні організми? Наведіть приклади істот, що співіснують із людиною і шкодять їй.

Щоб з’ясувати, як на ріст бобової рослини впливають бульбочкові бактерії, виростимо рослини без бактерій і з ними.

Для досліду потрібні шість насінин сої, два горщики із землею для кімнатних рослин, земля, в якій росла доросла квасоля, горох чи соя, півлітрова банка, столова ложка, вода.

Зволожте землю в горщиках і посадіть по три соєві насінини в кожен із них. Поставте горщики в тепле місце й поливайте щодня невеликою кількістю відстояної води.

Коли над землею з’являться паростки, приготуйте ґрунтовий розчин. Для цього залийте водою орієнтовно дві столові ложки заздалегідь накопаної біля бобової рослини землі так, аби отримана суміш зайняла приблизно пів банки (решту землі не викидайте, вона ще буде потрібна). Тепер кілька наступних днів рослини в одному з горщиків поливайте сумішшю води й землі, а в іншому — просто водою. Згодом в обидва горщики доливайте лише воду.

Рослини вирощуйте в теплому освітленому місці протягом трьох тижнів. Потому порівняйте висоту й розмір листків рослин в обох горщиках. Потім обережно, щоб не пошкодити підземну частину, викопайте рослини й порівняйте зовнішній вигляд коренів.

Добре видно, що на коренях рослин сої, які контактували із «чужою» землею, утворилися бульбочки.

Спробуйте не читати далі й сказати, чому утворилися бульбочки на коренях.

Це тому, що земля містила бульбочкові бактерії, які сприяли утворенню нових бульбочок. Водночас схоже, що з бульбочками рости краще, ніж без них! Бо рослини з ними трохи більші за ті, яких поливали просто чистою водою і які бульбочок не мають. Так сталося, оскільки бактерії здійснюють процес азотфіксації, завдяки якому бобові рослини отримують більшу кількість хімічного елементу Нітрогену. А він уже й сприяє кращому їхньому зростанню.

Азотфіксація — процес перетворення азоту повітря на органічні нітрогеновмісні сполуки бактерій, а згодом і рослин.

То, можливо, варто замінити бактерії мінеральними добривами, які також є джерелом Нітрогену? Чи зросте тоді врожай?

Щоб це перевірити, потрібні три горщики з пророслим насінням сої, як у попередньому досліді. Також будуть потрібні рідкі чи тверді нітратні (азотні) добрива, земля з-під бобової рослини (вона ще лишилася у вас), ложки, дві півлітрові банки, вода.

Коли паростки проростуть, поливайте їх у такий спосіб: перший — лише водою, другий — розчином землі (приготованим змішуванням двох столових ложок землі з-під бобової рослини з 200 мл води), третій — розчином добрива (його треба приготувати за інструкцією на обгортці; залучіть дорослих, аби вони допомогли). Поливання розчином землі й добривом потрібно здійснити лише двічі, після цього в усі горщики лийте тільки воду.

Тримайте рослини у теплому й світлому місці протягом трьох тижнів. Порівняйте зовнішній вигляд їхніх пагонів і коренів.

Сівозміна — чергування сільськогосподарських рослин на певній території протягом кількох років.

Як і можна було очікувати, добрива майже повністю розв’язують проблему відсутності бульбочкових бактерій на корінні. Завдяки їм розміри пагона в рослин із симбіотичними бактеріями на коренях і тих, до яких додавали добрива, майже однакові. Але добрива коштують грошей, а симбіотичні бактерії — безкоштовні! Утім через це аграрії здійснюють на полях сівозміну й час від часу висаджують бобові. Наприкінці року збирають урожай, а рештки рослин заорюють у ґрунт. Завдяки цьому кількість Нітрогену в ґрунті суттєво збільшується.

Звідки взявся додатковий Нітроген? Прослідкуйте його шлях із повітря до землі.

І наступні кілька років культурні рослини ростуть на такому збагаченому природнім шляхом полі значно краще!

Поміркуйте

• 1. З огляду на врожайність та витрати, визначте чи має сенс додавати мінеральні нітратні (азотні) добрива у ґрунт, на якому зростають бобові рослини? Як ваші висновки можна підтвердити експериментально?
• 2. Які переваги й недоліки має використання мінеральних азотних добрив у порівнянні з сівозміною?

Бактерії та їх значення в житті рослин

Наука біологія, що вивчає життя на Землі, продовжує дивувати своїх адептів. Вона все детальніше розкриває складні структурні рівні взаємовідносин різних проявів життя один з одним і з навколишнім середовищем. Одним з багатообіцяючих напрямків у розумінні того, яку роль відіграють прокаріоти (бактерії) у житті макроорганизмов, є вивчення присутності бактерій в клітинній життя рослин.

Встановлення присутності
Незважаючи на поважний вік самої науки біології, мікробіологи тільки наприкінці 19-го століття змогли виявити деякі характеристики спільного життя бактерій і рослин. Лише потім, з появою електронних мікроскопів, були встановлені механізми тих зв’язків, існування яких тільки констатувалося при вивченні організмів більш примітивними інструментами.

Сьогодні біологія має відомості про наступних видах взаємодії бактерій і рослин:

мутуалізмом (роль, яка відведена бактеріям і рослинам в цьому взаємовигідному симбіозі – допомагати один одному);
паразитизм (значення і роль симбіонтів в такому союзі негативна: симбіонт-паразит шкодить симбіонтів-господареві; в переважній більшості відомих випадків паразитами є бактерії);
комменсализм (бактерії або гриби отримують живлення від господаря-рослини, при цьому самому господареві в результаті такого харчування збиток не заподіюється).
Докладніше можна побачити класифікацію в таблиці.

Крім поділу за характером корисності, симбіози рослин з прокариотами можуть перебувати поза клітинами рослин (екзосімбіози) або з ураженням еукаріотичних рослинних клітин (ендосимбіоз).

Мутуалізмом
Перші описи мутуалізму біологія отримала в результаті досліджень голландського ботаніка Бейерінк, проведених у 1888 році. Він вивчав бульби бобових рослин, природою яких біологія цікавилася, починаючи з 17-го століття. У процесі вивчення бралися стерильні насіння бобових рослин і пророщують в контрольованих умовах. Одне насіння в процесі життя оброблялися чистими культурами бактерій (спеціально розведеними в лабораторних умовах штамами), виділених з бульбочок, інші – не оброблялися.

В результаті експерименту оброблені рідиною з вмістом бактерій бобові мали на своїх коріннях характерні бульби, а необроблені – не мали. Так було встановлено, що присутність бактерій має значення у формуванні та життя кореневої системи бобових.

Користь симбіозу встановлювалася набагато довше, і на сьогоднішній день біологія має наступний опис процесу цього корисного взаємодії:

У кожного виду бобових рослин є свої персональні бактерії-симбіонти (у конюшини – свої, у гороху – свої, у бобів – свої). Така персоніфікація має значення при взаємодії білків (лектинів) кореневих волосків рослини з вуглеводами клітинної мембрани бактерій. Білки кожного виду бобових мають свої відмітні особливості. Саме тому потрібні різні вуглеводи в бактеріальних клітинних мембранах для успішної спільної життя.
У процесі проростання насіння рослин, в ризосфері (область грунту біля коренів) накопичуються органічні поживні речовини, які виділяють коріння в грунт в процесі свого зростання. Залучені цієї органікою бактерії взаємодіють з кореневими волосками рослин і через них проникають в еукаріотичні клітини коренів бобових.
З моменту проникнення бактерій в тканини кореня, в кореневих клітинах починають вироблятися особливі білки – флавоноїди (вченими визначена чільна роль флавоноїдів у формуванні забарвлення рослин). У відповідь на збільшення кількості флавоноїдів бактерія починає виробляти білки, що відповідають за узгодженість дій бактеріальної клітини і кореневої клітини.
Діючи узгоджено, прокариотические і еукаріотичні клітини утворюють в порожнині кореня бобового трубку, у якій і розростається бактеріальна колонія.
У процес симбіозу бактерії позбавляють еукаріотичні клітини від надлишку кисню і фіксують азот з атмосфери в клубеньках кореневої системи. Атмосферний азот фіксується тільки в цих симбіотичних утвореннях за рахунок синтезу в них захисного білка – леггемоглобін.
Велику роль така спільна життя грає в сільському господарстві як єдиний природний спосіб збагатити сільгоспугіддя азотом.

Клубеньки на коренях бобових рослин

У корисному співробітництві з рослинами задіяні не тільки бактерії, але і еукаріоти – гриби. Причому механізм взаємодії дуже схожий. Гриби в процесі життя утворюють в коренях рослин міцелій (грибницю), яка відіграє активну роль у забезпеченні та рослини і грибів фосфором і органікою з грунту. Такий симбіоз грибів і рослин називається мікориза.

Паразитизм
Біологія знає види організмів, які ведуть паразитичний спосіб життя в таких царствах, як царство грибів, царство рослин, царство тварин і, звичайно ж, царство бактерій.

Паразит використовує господаря як джерело їжі, тим самим завдаючи йому серйозної шкоди, аж до летального результату. Процеси, що супроводжують взаємодію паразита з господарем, називається патогенним. Ступінь небезпеки цих процесів для організму хазяїна позначається словом вірулентність (вона буває висока, середня і низька) і залежить від кількості бактерій-патогенів, здатних викликати небезпеку для життя організму-господаря. Чим їх менше, тим вірулентність вище.

У встановленні взаємодії бактерій-фітопаразітов з клітинами рослин основну роль відіграють два фактори:

адгезія (специфічні властивості бактерій, що дозволяють прилипати до клітин рослин);
дію ферментів гідролаз (білків, що прискорює хімічні реакції), які руйнують стінки еукаріотичних клітин.
Цими двома властивостями володіють паразити, що живуть не тільки за рахунок рослин, але і за рахунок грибів і тварин.

По впливу на організми господарів, як рослин, так і тварин, і грибів, діяльність бактерій-паразитів характеризується виробленням токсинів (отрут). Бактерії можуть продукувати токсини в навколишнє середовище (екзотоксини) або накопичувати отрути всередині своєї клітки, отруюючи організм господаря тільки після своєї смерті.
Бактерії сапрофіти і паразити

Біологія дала матеріал для вивчення токсинів, що впливають на життя і здоров’я рослин. У біології відомо вплив бактеріальних токсинів на рослини. Вони викликають:

в’янення в результаті закупорки провідних судин;
руйнування тканини (гниль);
некрози (псування листя);
пухлини (гіпертрофії) в результаті неправильного формування тканин рослини.
Комменсализм
Біологія знає достатньо прикладів комменсализма. В основному це використання організмами-комменсаламі поверхонь інших організмів для укриття або для переміщення в просторі. При комменсализмом одному учаснику такі взаємини вигідні, а іншому – байдужі.

Широко в природі поширені комменсали-гриби. В основному гриби співпрацюють з комахами, які мають можливість рознести на своїх кінцівках грибні спори. Також відомі гриби, які виступають в якості сторони, що створює умови для успішного існування організму-комменсала. Так, гриби, що руйнують деревину, створюють умови (труху) для розвитку личинок деяких видів комах.

Взаємодія рослин і бактерій не дуже багато випадками комменсализма. Навіть якщо вони і відбуваються, то носять епізодичний характер і не є стратегією виживання.

Дослідження вчених покращує розуміння того, як бактерії приносять користь рослинам

Рослини утворюють союзи з мікробами в ґрунті, в якому вони ростуть. Бобові, наприклад, виграють від симбіотичних стосунків із мікробами, які населяють бульбочки на їхньому корінні та “фіксують” азот в атмосфері, щоб зробити його доступним для стимулювання росту бобових. Але чи завжди мікроби корисні для рослин? Чи конкуренція між штамами за доступ до рослин погіршує роботу бактерій?

Група вчених з Каліфорнійського університету в Ріверсайді поставила експерименти, щоб відповісти на ці питання і краще зрозуміти процес конкуренції. Дослідники використовували місцеву каліфорнійську рослину з бульбочками Acmispon strigosus і набір із восьми сумісних азотфіксувальних бактеріальних штамів.

Вони заразили деякі рослини кожним з восьми штамів, щоб безпосередньо виміряти їхню здатність заражати рослини і приносити користь. Потім вони заразили інші рослини парами бактеріальних штамів, щоб оцінити конкурентоспроможність кожного штаму і вплив на продуктивність рослин.

Дослідники виявили, що конкуренція між штамами корисних бактерій у ґрунті знижує якість послуг, які бактерії надають своїм господарям.

Дослідження опубліковано в журналі Current Biology .

“Зокрема, ми виявили міжштамову конкуренцію, яка відбувається в ґрунті до того, як бактерії зможуть заразити рослину, що призводить до того, що менша кількість бактерій колонізує рослину, внаслідок чого рослина отримує меншу користь”, – сказав Джоел Сакс, професор еволюції, екології та біології організмів, який очолював дослідницьку групу.

“Щоб зрозуміти симбіоз, ми часто використовуємо стерильні умови, коли один штам бактерій “інокулюється” або вводиться стерильному господареві. Наші експерименти показують, що трохи ускладнення цієї системи – просте використання двох бактеріальних штамів одночасно – докорінно змінює баланс переваг, які отримують господарі, змінюючи наше розуміння того, як працює симбіоз”.

Сакс пояснив, що основною проблемою в сільському господарстві є використання послуг, які мікроби можуть надавати сільськогосподарським культурам, сприяючи їхньому стійкому зростанню без екологічних витрат на хімічні добрива. У його лабораторії вивчають ризобії – бактерії, що сприяють росту рослин.

Конкуренція ризобій є давньою проблемою сталого сільського господарства. Ризобії утворюють кореневі бульбочки на бобових, усередині яких бактерії фіксують азот для рослини в обмін на вуглець у результаті фотосинтезу. Виробники давно прагнуть використовувати ризобії для сталого удобрення основних бобових культур, таких як соя, арахіс, горох і стручкова квасоля.

“Можна подумати, що використання ризобій як інокулянтів має дати змогу виробникам звести до мінімуму використання хімічного азоту, який завдає шкоди навколишньому середовищу”, – сказав Сакс, завідувач кафедри еволюції, екології та біології організмів. “Але така інокуляція ризобіями рідко буває успішною. Коли виробники інокулюють свої культури високоякісними ризобіями – штамами, що фіксують багато азоту, – ці “елітні” штами програють місцевим ризобіям, які вже перебувають у ґрунті і приносять мало користі господарям або не приносять жодної користі”.

У своїх експериментах Сакс і його колеги використовували бактеріальні штами, геноми яких вони вже секвенували. Вони також охарактеризували штами, які варіювалися від дуже корисних до неефективних у фіксації азоту, щоб точно знати, наскільки вони корисні для цільових видів рослин. Дослідники секвенували вміст понад 1100 бульбочок, кожна з яких була отримана з рослини, яку було інокульовано однією з 28 різних комбінацій штамів.

Потім дослідники розробили математичні моделі, щоб передбачити, яку користь отримають рослини, інокульовані спільно, виходячи з очікувань від рослин, які були “клонально інфіковані” (заражені одним штамом). Це дало змогу дослідникам розрахувати дефіцит росту, спричинений конкуренцією між штамами.

“Наші моделі показали, що спільно інокульовані рослини отримали набагато меншу користь від симбіозу, ніж можна було очікувати від клональних інфекцій”, – сказав Арафат Рахман, колишній аспірант лабораторії Сакса і перший автор дослідницької роботи. “Хоча корисні бактерії добре працюють у лабораторії, вони програють у природному середовищі. Зрештою, ми хочемо знайти штам бактерій або їхній набір, які приносять максимальну користь рослині-господареві та можуть конкурувати з бактеріальними штамами, що вже перебувають у ґрунті”.

Сакс пояснив, що для виявлення і розробки бактеріального штаму, дуже корисного для рослин, вченим необхідно проводити експерименти в дуже чистих умовах.

“Зрештою ми хочемо використовувати корисні бактерії в сільському господарстві”, – сказав він. “Щоб ідентифікувати ці бактерії, ми, як правило, додавали один бактеріальний штам до рослини в лабораторії і показували, що рослина росте набагато краще зі штамом, ніж без нього. Однак у польових умовах ця рослина вкрита мікробами, що ускладнює історію. У наших експериментах ми перейшли від використання одного штаму до пари штамів, щоб побачити, який вплив це має на ріст рослин.

Рахман наголосив, що, хоча необхідні експерименти, щоб встановити, наскільки корисним є той чи інший бактеріальний штам, також необхідні експерименти, які перевірять, наскільки цей штам є конкурентоспроможним по відношенню до групи інших бактеріальних штамів.

“Обидва кроки мають вирішальне значення”, – сказав він. “Наша робота показала, що деякі з найкращих штамів можуть бути дуже корисними для росту рослин, але як тільки ви об’єднуєте їх з будь-яким іншим штамом, ця перевага значно знижується. Крім того, важливо знати, на якій стадії відбувається конкуренція між штамами: до взаємодії бактерій із рослиною чи після?

Сакс сказав, що в багатьох сучасних експериментальних проєктах основна увага приділяється користі для рослин.

“Однак важливо пам’ятати, що бактерії формуються в результаті природного відбору”, – сказав він. “Деякі з них можуть бути дуже конкурентоспроможними під час проникнення в бульби для зараження рослини, але не дуже корисні для рослини, і це може бути рисою, яка перемагає в природі. Якщо ми хочемо використовувати мікробні співтовариства для послуг, які вони можуть надавати рослинам і тваринам, нам необхідно зрозуміти міжштамову динаміку в цих співтовариствах”.

За словами Сакса і Рахмана, методи сталого зростання мають стати найважливішим аспектом нового сільського господарства, щоб прогодувати зростаюче населення за обмеженої ресурсної бази.

“Це вимагатиме відмови від методів забруднення, таких як додавання в ґрунт величезної кількості хімічного азоту”, – сказав Сакс. “Розуміння того, як ефективно доставляти корисні мікроби цільовому господареві, є центральним завданням у медицині, сільському господарстві та тваринництві. Виявивши, що динаміка між штамами може зменшити переваги симбіозу, наша робота відкрила нові напрямки досліджень для поліпшення стійких методів ведення сільського господарства”.